シート状に自己組織化し、筒状に巻くこともできる二次元ポリマーは、鋼鉄より強く、プラスチック並みに軽い素材です。
このような素材は、自動車部品や携帯電話向けの軽量で耐久性の高いコーティングや、橋などの構造物の建材として利用できる可能性があります。
ポリマー科学者たちは長年、ポリマーを二次元のシート状に成長させることができれば、非常に強く軽量な素材になるはずだと考えてきました。
MITの化学工学者たちは、新しい重合プロセスを用いて、鋼鉄より強くプラスチック並みに軽い新素材を開発しました。この素材は大量生産も容易です。
この新素材はシート状に自己組織化する二次元ポリマーです。一次元のスパゲッティ状の鎖を形成する他のすべてのポリマーとは異なります。これまで科学者たちは、ポリマーを二次元シート状に形成させるのは不可能だと考えていました。
このような素材は、自動車部品や携帯電話向けの軽量で耐久性の高いコーティングや、橋などの構造物の建材として利用できる可能性があると、新研究の筆頭著者で、MITのカーボン・P・ダブス化学工学教授であるマイケル・ストラーノ氏は述べています。
「建物を支えるのにプラスチックを使えるとは、通常は考えません。しかし、この素材なら新しいことが可能になります」と同氏は言います。「非常に珍しい特性を備えており、その点に大きな期待を寄せています。」
研究チームは、この素材の生成に用いたプロセスについて2件の特許を出願しました。その内容は、本日Nature誌に掲載される論文で説明されています。研究の筆頭著者は、MITの博士研究員、ユウェン・ゼン氏です。
二次元
あらゆるプラスチックを含むポリマーは、モノマーと呼ばれる構成単位が連なった鎖でできています。鎖の末端に新たな分子が加わることで成長します。ポリマーは形成後、射出成形によって水筒のような三次元の物体に加工できます。
ポリマー科学者たちは長年、ポリマーを二次元のシート状に成長させることができれば、非常に強く軽量な素材になるはずだと考えてきました。しかし、この分野で何十年にもわたって研究が続けられた結果、そのようなシートを作るのは不可能だという結論に至りました。その理由の一つは、成長中のシートの平面から、モノマーが一つでも上または下に回転すると、素材が三次元に広がり始め、シート状の構造が失われることでした。
しかし今回の研究で、ストラーノ氏らはポリアラミドと呼ばれる二次元シートを生成できる新たな重合プロセスを考案しました。モノマーの構成単位には、炭素原子と窒素原子が環状に並んだメラミンという化合物を使います。適切な条件下では、これらのモノマーは二次元に成長して円盤を形成します。円盤は互いに積み重なり、層の間の水素結合によって結びつきます。この結合により、構造は非常に安定して強固になります。
「スパゲッティ状の分子を作る代わりに、シート状の分子平面を作り、分子同士を二次元につなげることができます」とストラーノ氏は言います。「この仕組みは溶液中で自然に起こります。素材を合成した後は、非常に高い強度を持つ薄膜を簡単にスピンコーティングできます。」
この素材は溶液中で自己組織化するため、原料の量を増やすだけで大量生産できます。研究チームは、2DPA-1と名付けたこの素材の膜で表面をコーティングできることを示しました。
「この進展により、平面状の分子を使って、非常に強く、しかも極薄の素材をはるかに簡単に作れるようになります」とストラーノ氏は言います。
軽くて強い
研究チームは、この新素材の弾性率、つまり素材を変形させるのに必要な力の指標が、防弾ガラスの4〜6倍であることを明らかにしました。また、降伏強度、すなわち素材を破壊するのに必要な力は鋼鉄の2倍でした。一方で、この素材の密度は鋼鉄の約6分の1にすぎません。
シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の学部長、マシュー・ティレル氏は、この新技術について「結合した二次元ポリマーを作る、非常に創造的な化学の成果です」と述べています。
「この新しいポリマーの重要な点は、溶液中で容易に加工できることです。これにより、強度と重量の比が重要となる新たな用途が数多く可能になります。新しい複合材料や拡散バリア材料などがその例です」と、研究に参加していないティレル氏は述べています。
2DPA-1のもう一つの重要な特性は、ガスを通さないことです。他のポリマーは、隙間からガスが入り込むコイル状の鎖でできています。一方、この新素材はレゴブロックのようにモノマー同士がかみ合うため、分子がその間を通り抜けられません。
「水やガスを完全に遮断する超薄型コーティングを作れる可能性があります」とストラーノ氏は言います。「こうしたバリアコーティングは、自動車などの車両の金属部品や鋼鉄製の構造物を保護するために使えるでしょう。」
ストラーノ氏と学生たちは現在、この特定のポリマーが二次元シートを形成できる仕組みをさらに詳しく研究しています。また、分子組成を変えて、ほかの新しい種類の素材を作る実験にも取り組んでいます。
この研究は、米国エネルギー省科学局が支援するエネルギー・フロンティア研究センター、Center for Enhanced Nanofluidic Transport（CENT）と、陸軍研究所の資金提供を受けました。
