胜过钢铁的新型聚合物材料

科学家们发明了一种可以和钢铁相比拟的塑料，它的强度和钢铁相当，但却比钢铁更轻。塑料，化学家有时称其为聚合物，是由称为单个分子单元的不断重复组成的一类长链分子。与以前的聚合物不同，这种新材料完全是以膜的形式出现的，只有几个纳米厚，它的密封性是市场上密封性最好塑料的50倍。另一个值得注意的方面是这种新材料的合成很简单，只需要廉价的材料就可以大批量生产。研究人员在2月2日的《自然》杂志上发表了这个研究结果。

这种材料叫做聚酰胺，是由酰胺分子单元组成的网状结构(酰胺是氮原子，氧原子，和碳原子构成的化学基团)。这类聚合物包括用于制造防弹背心的凯夫拉纤维和防火织物等。和凯夫拉尔纤维一样，这种新材料中的聚酰胺分子通过氢键沿着链的长度相互连接，从而增强了材料的整体强度。“它们像尼龙搭扣一样彼此粘在一起”，该研究的主要作者、麻省理工学院的化学工程师迈克尔·斯特拉诺说，“撕裂材料不仅需要折断单个的分子链，还需要克服遍布整个聚合物束的分子间氢键。”

由研究人员提供的聚合物薄膜(左)

此外，这种新型聚合物还可以自动形成片状。这使得该材料易于加工，因为它可以制成薄膜或应用于薄膜表面的涂层。通常来说传统的聚合物倾向于在线性链中生长，或者在三维空间中不断地重复连接。但聚酰胺这种聚合物以独特的二维形式生长并形成纳米薄片。“你能在一张纸上聚合吗?事实证明，在大多数情况下你不能，直到我们的研究成果成功”，斯特拉诺说，“所以，我们发现了一种新机制。”

聚酰胺的平面结构的原因是，这种聚合物的合成涉及到一种称为“自催化模板”的机制：在单体分子聚合的过程中，不断增长的聚合物网络通过分子间的引力使得后增加的单体分子只形成二维结构，而不会在高度方向上堆积。研究人员证明，他们可以很容易地将这种聚合物在溶液中涂到晶圆上，从而制造出一英寸宽、厚度不到4纳米的层状材料，这几乎是普通办公室用纸的百万分之一厚。

传统的聚合物倾向于在线性生长或者在三维空间中堆叠

为了量化这种聚合物材料的力学性能，研究人员测量了用细针在这种材料上戳洞所需的力。结果证明，聚酰胺比尼龙等传统聚合物更坚硬，令人惊讶的是掰开这种超高强度聚酰胺所需的力量是掰开同样厚度的钢材所需力量的两倍。根据斯特拉诺的说法，这种物质可以用作金属表面的保护涂层，比如汽车表面的喷漆或者用作净水器。在后一种功能中，理想的过滤膜需要很薄，但又足够坚韧，能够承受高压，而不会泄漏出微小又令人讨厌的污染物到水中——这很适合聚酰胺材料。

在未来，斯特拉诺希望将聚合方法扩展到不同的聚合物，而不仅仅是聚酰胺。“聚合物在我们周围随处可见”，他说，“想象一下，将许多不同种类的聚合物，甚至是那些可以导电或发光的奇特聚合物，转化成可以覆盖各种表面的薄膜。”

本文参考Popsci文章，“This new material is as strong as steel—but lighter”，如有兴趣还可查阅原文。

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