这种新型材料是一种二维聚合物，由三聚氰胺制成，它能自组装成片状结构，这与其他所有形成一维、类似意大利面条状链状结构的聚合物截然不同。此前，科学家们一直认为不可能诱导聚合物形成二维片层结构。
麻省理工学院 Carbon P. Dubbs 化学工程教授、新研究的资深作者迈克尔·斯特拉诺 (Michael Strano) 表示，这种材料可以用作汽车零部件或手机的轻质耐用涂层，或用作桥梁或其他建筑结构的建筑材料。
“我们通常不认为塑料可以用来支撑建筑物，但有了这种材料，我们就能创造新的东西，”他说。“它拥有非常独特的特性，我们对此感到非常兴奋。”
研究人员已就其制备该材料的方法申请了两项专利，相关内容已发表在今天刊登于《自然》杂志的论文中。麻省理工学院博士后曾宇文是该研究的第一作者。
二维
聚合物（包括所有塑料）由称为单体的单元链组成。这些单元链通过在其末端添加新分子而增长。聚合物一旦成型，就可以通过注塑成型制成三维物体，例如水瓶。
聚合物科学家长期以来一直假设，如果聚合物能够被诱导生长成二维薄片，它们应该能够形成极其坚固、轻质的材料。然而，该领域数十年的研究最终得出结论，制造这样的薄片是不可能的。原因之一是，只要有一个单体向上或向下旋转，超出生长薄片的平面，材料就会开始在三维空间膨胀，片状结构就会消失。
然而，在这项新研究中，斯特拉诺和他的同事们提出了一种新的聚合工艺，可以生成一种名为聚芳酰胺的二维薄片。他们使用一种名为三聚氰胺的化合物作为单体结构单元，这种化合物含有碳原子和氮原子组成的环。在适当的条件下，这些单体可以在二维空间生长，形成圆盘状结构。这些圆盘状结构层层堆叠，层与层之间由氢键连接，这使得结构非常稳定和坚固。
“我们不用制作意大利面条状的分子，而是可以制作片状的分子平面，让分子在二维空间中相互连接，”斯特拉诺说。“这种机制在溶液中自发发生，合成材料后，我们可以轻松地旋涂出强度极高的薄膜。”
由于该材料在溶液中自组装，因此只需增加起始材料的数量即可大量生产。研究人员证明，他们可以在表面覆盖这种材料薄膜，并将其命名为2DPA-1。
斯特拉诺说：“有了这一进步，我们就有了平面分子，它们将更容易被制成非常坚固但极薄的材料。”
轻而强
研究人员发现，这种新材料的弹性模量（衡量材料变形所需力量的指标）是防弹玻璃的4到6倍。他们还发现，尽管这种材料的密度只有钢的六分之一左右，但它的屈服强度（即破坏材料所需的力量）却是钢的两倍。
2DPA-1 的另一个关键特性是它不透气。其他聚合物是由螺旋状的分子链构成，分子链之间留有空隙，气体可以通过。而这种新材料是由像乐高积木一样相互锁合的单体构成，分子之间无法相互渗透。
“这使我们能够制造出能够完全阻止水或气体渗透的超薄涂层，”斯特拉诺说。“这种阻隔涂层可以用来保护汽车和其他车辆的金属，或钢结构。”
斯特拉诺和他的学生目前正在更详细地研究这种特殊的聚合物如何形成二维薄片，并且他们正在尝试改变其分子组成以创造其他类型的新型材料。
该研究由美国能源部科学办公室和陆军研究实验室赞助的能源前沿研究中心增强纳米流体传输中心 (CENT) 资助。
一项来自ScienceDaily的研究表明，一种新型轻质材料比钢铁更坚固：这种新物质的诞生源于一项被认为不可能实现的壮举——二维材料聚合。
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