Prelom inšpirovaný reťazovým brnením by mohol predefinovať budúcnosť obranného priemyslu
Vedci z Northwestern University vyvinuli prvý dvojrozmerný mechanicky prepojený polymér s rekordnou hustotou väzieb, ktorý spája mimoriadnu pevnosť, flexibilitu a ľahkosť. Tento prelomový materiál otvára nové možnosti v obrannom a priemyselnom využití.
Vedci z Northwestern University predstavili prevratný objav. Vôbec prvý dvojrozmerný mechanicky prepojený polymér, ktorý svojou štruktúrou pripomína reťazové brnenie. Tento materiál spája výnimočnú pevnosť a flexibilitu s ľahkosťou, čo otvára nové možnosti jeho využitia nielen v obrannom priemysle, ale aj v ďalších odvetviach, ktoré vyžadujú kombináciu odolnosti a nízkej hmotnosti.
Čo robí tento materiál takým jedinečným?
Predstav si klasické reťazové brnenie, jeho pevnosť spočíva v prepojení jednotlivých článkov, ktoré je veľmi ťažké narušiť. Podobným princípom funguje aj nový dvojrozmerný polymér, avšak na úplne inej, nanometrovej úrovni.
Na jednom štvorcovom centimetri tohto materiálu sa nachádza až 100 biliónov mechanických väzieb, čo je doposiaľ najvyššia hustota takýchto väzieb, akú sa podarilo vedcom dosiahnuť.
„Vytvorili sme úplne novú polymérnu štruktúru,“ vysvetlil vedúci tímu William Dichtel. „Podobne ako reťazové brnenie, aj tento materiál je extrémne odolný proti roztrhnutiu. Mechanické väzby majú možnosť posúvať sa a prerozdeliť pôsobiacu silu, čím sa minimalizuje riziko poškodenia. Ak by ste ho chceli zničiť, museli by ste prelomiť mnoho väzieb naraz, čo je mimoriadne náročné.“
The future of lightweight armor? IIN’s Will Dichtel & team have developed a chainmail-inspired polymer that’s scalable, flexible, and strong. Now in @ScienceMagazine.
Link: https://t.co/GHwqHNU3U0@Dichtel @Dichtelians @NUChemistry @sirfrasersays
— International Institute for Nanotechnology (@IINanoNU) January 17, 2025
Tento kompozit je odolný voči extrémnym teplotám, kyselinám a chemikáliám, čo ho predurčuje na špeciálne priemyselné použitie.
Neprehliadni
Ako vznikol tento unikátny materiál?
Vývoj dvojrozmerného polyméru predstavoval skutočnú výzvu, pretože mechanické prepojenie molekúl je oveľa komplikovanejšie, než sa na prvý pohľad zdá. Klasické polyméry sú tvorené molekulami, ktoré sa reťazia za sebou pomocou chemických väzieb. Mechanicky prepojené polyméry sú však špecifické tým, že jednotlivé molekuly sú doslova „navlečené“ cez seba, podobne ako články reťaze.
Tím vedcov, ktorých viedol už spomínaný William Dichtel, pristúpil k problému inovatívne. Na začiatku použili špeciálne X-tvarované monoméry (stavebné bloky polymérov), ktoré zoradili do usporiadanej kryštalickej štruktúry. Následne túto štruktúru chemicky zreagovali s ďalšími molekulami, čím vznikli pevné mechanické väzby medzi jednotlivými monomérmi. Výsledkom bol nový druh polyméru pozostávajúci z vrstiev mechanicky prepojených molekúl.
Pozoruhodné je, že hoci je tento materiál veľmi pevný, zároveň si zachováva vysokú flexibilitu. Vedci zistili, že ak sa materiál rozpustí v roztoku, jednotlivé vrstvy sa od seba oddelia, ale ostanú neporušené a ľahko manipulovateľné.
Potenciálne využitie: Od brnení po priemyselné materiály
Tím vedcov už začal skúmať, ako by sa tento nový materiál dal využiť v praxi. Napríklad pridanie malého množstva, len 2,5 %, dvojrozmerného polyméru do existujúceho materiálu Ultem, dramaticky zvýšilo jeho pevnosť a odolnosť. Ultem, ktorý patrí do rovnakej rodiny ako Kevlar, je známy svojou schopnosťou odolávať extrémnym teplotám a chemikáliám.
Dichtel si tento polymér dokáže predstaviť ako základ pre výrobu ľahkých a odolných balistických tkanín, ktoré by mohli poskytnúť vysokú ochranu bez zbytočnej záťaže. Okrem obranného priemyslu sa materiál môže uplatniť aj v leteckom priemysle, kde je kľúčová kombinácia nízkej hmotnosti a vysokej pevnosti.
Inšpirácia z minulosti
Práca tímu sa opiera o dlhoročný výskum konceptu mechanických väzieb, ktorý bol prvýkrát predstavený britským chemikom Sirom Fraserom Stoddartom v 80. rokoch minulého storočia. Stoddart, ktorý za svoje objavy získal Nobelovu cenu za chémiu v roku 2016, vyvinul metódy na vytváranie mechanických väzieb v molekulách.
„Molekuly sa sami od seba neprevlečú cez seba,“ vysvetlil Dichtel. „Fraser vyvinul geniálne spôsoby, ako štruktúry mechanicky prepojiť. Naše metódy nadväzujú na jeho objavy, pričom sme ich rozšírili o možnosť ich aplikácie na polyméry vo veľkom meradle.“
Budúcnosť odolných materiálov
Aj keď sa vývoj tohto materiálu ešte len začína, už teraz je zrejmé, že jeho potenciál je obrovský. Vedci plánujú preskúmať ďalšie vlastnosti polyméru a testovať ho v rôznych aplikáciách. Nové technológie a objavy v oblasti mechanických väzieb tak môžu v blízkej budúcnosti zmeniť spôsob, akým vyrábame odolné a flexibilné materiály.
Komentáre