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新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍
2022/2/9 12:05:23 | 浏览:1212 | 评论:0

塑料界的「超级英雄」来了。

《自然》杂志近日公布了一项被认为「不可能」的成果——

麻省理工学院的科学家研发了一种全新的材料,名为 2DPA-1,它比防弹玻璃还要强 4-6 倍,比钢材还要硬两倍,但密度只有钢材的 1/6。

最令人意外的是,它只有普通塑料那么轻。

新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍

▲ 图片来自:Fastcompany

也就是说,它极其坚固,又极其轻薄

而且,它还很容易大批量生产。

这也就意味着,这种「超级塑料」离每个人都很近。

材料科学的革命性进步,对于各行各业都是颠覆性的改变。自然,也涵盖了我们生活的方方面面。

让「超级塑料」再飞一会

当它用在手机上——

作为轻质耐用涂层,它能让你的手机更加地耐磨耐摔。

新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍

▲ 图片来自:Andrew Moore-Crispin 

当它变成日常工具——

我们平时使用的塑料袋,可以做成更多拉链式袋子反复利用,它还比布包、皮包都耐用。

在装一些特定物品时,更不用担心塑料袋随随便便就被捅破了。

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▲ 图片来自:xxxlojel

当它用在汽车上——

作为制造汽车的材料,它可以让汽车更轻便,然后减少能耗,续航更久。

作为阻隔涂层,它可以保护汽车中的金属或钢结构,让汽车更加地长寿。

因为它的密度非常小,气体无法渗透,所以这种阻隔涂层还可以变成「油漆」或工业涂料,涂到家里的有需要的物品上, 防止它们氧化、生锈、腐烂。

就像一道天然的屏障。

这将是它首先在商业上最直接的应用。

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▲ 图片来自:IAMSPEEDRUNNER

当它用在建筑物上——

这种「超级塑料」的性能优于钢铁等材料,无论是建桥梁还是建大楼,比起以往,都可以减少材料的使用。

同时,制造这种材料比制造玻璃和钢铁都更简单,就能减少更多能源消耗和人力成本。

也就是说,更加环保可持续了。

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▲ 图片来自:CDMG

当面向各行各业——

它可以变成盾牌、变成防弹衣,可以让警察出行更轻松又更安全;在航天器材上,同样可以减轻重量,又保证发射质量……

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▲ 图片来自:《异星灾变》

可以想象,它强大的特性,还将用到我们衣食住行更多地方。

「超级塑料」是如何炼成的?

「超级塑料」2DPA-1,是一种二维聚合物。

在此之前,聚合物通常都只能形成一维的结构。

我们日常的塑料、橡胶、玻璃都是聚合物,它们本质上是单个分子链,就像意大利面条一样平坦连接在一起,当它们的末端不断添加新分子,就会像烤箱里的蛋糕一样生长膨胀,就像然后变成三维的实物。

新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍

▲ 图片来自:SHUTTERSTOCK

这让它们可以很轻,但也暴露出了一个弱点——分子中间有间隙,气体能通过。

这就是为什么当你用塑料袋装一袋辣条时,也能从外面闻到里面诱人的味道。

科学家们几十年来不断在尝试研究二维聚合物,但都失败了。

因为只要有一个单体不按规则活动,开始前后偏离左右旋转,那么片状结构就会被破坏,最后又会膨胀成一个「蓬松的蛋糕」。

这次,麻省理工的 Michael S. Strano 教授和他的同事们终于打破了局限。

他们通过一种化合物:三聚氰胺,创造出了这种新材料。

三聚氰胺有碳和氮环的结构,单体可以在二维上生长,形成圆盘,相互堆叠,各层之间的氢键稳定相连,结构就变得非常牢固。

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就像操场上所有孩子排排坐,手拉手,然后靠在一起,又像乐高积木一样紧紧锁合,再也分不开。

于是,新的二维聚合物就诞生了。

这种高强度的材料不仅非常轻,还非常硬,比钢还硬。

因为单体牢牢锁在一起,所以气体和水分子都无法穿透,密闭性非常强,这也是为什么它能作为天然的屏障,密不透风。

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再令人惊奇的是,这些聚合物会自行组装。

只需要溶液,单体就可以在其中自行堆叠成片状,人们可以直接合成更多复合材料。

所以,它就能被大规模制造。

现在,研究人员已经在进行涂料和膜的新应用,当进一步研究结构调整,还可以生产纳米过滤、气体分离的新一代聚合物。

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「超级塑料」未来的应用不可限量。

我们在等待怎样的「未来塑料」?

现在,大家对塑料的印象可能都不太好。

插在海龟鼻孔里的塑料吸管、漫天几百年都无法降解的塑料垃圾、无法回收只能艰难再利用的塑料制品、焚烧塑料产生的滚滚废气……

有数据表明:

新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍

▲ 图片来自:SciTechDaily

所以上到最大的塑料污染公司可口可乐,开始加大塑料可回收力度,下到各类提倡绿色环保的新消费品牌,开始从供应链到产品都更可持续,甚至各大超市和便利店都开始「限塑」。

但塑料为什么难摆脱,就是因为它的确太好用了。

所以,需要从源头上来解决问题。

已经有很多公司在用新的材料来取代塑料。

初创公司 Ecovative 用蘑菇来做包装材料,其中的菌丝体可以生长成特定大小和形状,还有利于降解和循环。

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一直强调环保的 Allbirds 用羊绒做鞋子,用回收瓶做鞋带,包装也换成了 90% 的再生纸板。

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前年伦敦举办的半程马拉松上,运动员半途直接吃一种名为「Ooho」的「水球胶囊」,因为包装不是塑料,而是用海藻和植物成分做成。

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甚至还有人将鲑鱼精子的 DNA 链溶解在水中,形成的一种柔软可延展的「水凝胶」,团队称之为「DNA 塑料」。

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「塑料替代品」是一种缓解的方式,但还有很多真塑料无法被替代的地方。

于是在另一条赛道上,新型塑料也层出不穷地诞生。

大家比较熟知的,可能是现在的可生物降解塑料。

「可生物降解」的塑料,从术语上来看,大家一般都会理解为把塑料扔在土地里,不久后它就会自动消失。

但实际上,它仍需要足够的时间降解,这个时间可能是数百年。

这样意义其实就不大了,毕竟在某个时间段内,一切都可生物降解。

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▲ 可生物降解塑料. 图片来自:Dezeen

还有「可堆肥塑料」,大家可能认为丢土里它就能消失,还能让土壤刚有营养。

但实际上,只有在特殊的堆肥机中,它才有效。而就算这种塑料随时可用,我们也不可能把它们都丢进匹配的土里。

技术正在快速进步。

去年同样在《自然》杂志上,已经有科学家制造出了能在几天或几周内降解的塑料

旧金山湾区的一家初创公司也制造出了名为 Intropic Materials 的「可堆肥塑料」,能让人们在家里就能把它扔盆栽、变肥料。

新里程碑:MIT发明2DPA-1超级塑料比钢材硬两倍,比防弹玻璃强六倍

▲ 图片来自:Adam Lau/伯克利工程

这些塑料普及后,我们就可以毫不内疚地扔掉它们。

而前面提到的「超级塑料」,可以应用到更多新的领域,甚至替代钢材和其他材料。

让现有的塑料被回收、被消解,让未来的塑料更快来、有实效,还需要一点时间和实践。

这一场塑料战,才刚刚开始。

令人注意的是,这次帮助麻省理工实现伟大突破的又是华人科学家,名为曾玉伟的华人科学家是该成果的第一作者。如果未来美国靠这种材料实现科技革新,那这名华人研发者功不可没。

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