Material baru ini adalah polimer dua dimensi, terbuat dari melamin , yang dapat menyusun diri menjadi lembaran, tidak seperti semua polimer lainnya yang membentuk rantai satu dimensi seperti spaghetti. Hingga saat ini, para ilmuwan percaya bahwa tidak mungkin untuk menginduksi polimer untuk membentuk lembaran 2D.
Bahan semacam itu dapat digunakan sebagai pelapis yang ringan dan tahan lama untuk suku cadang mobil atau ponsel, atau sebagai bahan bangunan untuk jembatan atau struktur lainnya, kata Michael Strano, Profesor Teknik Kimia Carbon P. Dubbs di MIT dan penulis senior studi baru tersebut.
"Kita biasanya tidak menganggap plastik sebagai sesuatu yang dapat digunakan untuk menopang sebuah bangunan, tetapi dengan material ini, kita dapat menciptakan hal-hal baru," katanya. "Plastik memiliki sifat-sifat yang sangat unik dan kami sangat gembira akan hal itu."
Para peneliti telah mengajukan dua paten atas proses yang mereka gunakan untuk menghasilkan material tersebut, yang mereka uraikan dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di Nature . Peneliti pascadoktoral MIT, Yuwen Zeng, adalah penulis utama studi ini.
Dua dimensi
Polimer, yang mencakup semua plastik, terdiri dari rantai blok penyusun yang disebut monomer. Rantai ini tumbuh dengan menambahkan molekul baru pada ujungnya. Setelah terbentuk, polimer dapat dibentuk menjadi objek tiga dimensi, seperti botol air, menggunakan cetakan injeksi.
Ilmuwan polimer telah lama berhipotesis bahwa jika polimer dapat diinduksi untuk tumbuh menjadi lembaran dua dimensi, polimer tersebut akan membentuk material yang sangat kuat dan ringan. Akan tetapi, penelitian selama beberapa dekade di bidang ini menghasilkan kesimpulan bahwa mustahil untuk membuat lembaran seperti itu. Salah satu alasannya adalah jika hanya satu monomer yang berputar ke atas atau ke bawah, keluar dari bidang lembaran yang sedang tumbuh, material tersebut akan mulai mengembang dalam tiga dimensi dan struktur seperti lembaran akan hilang.
Namun, dalam penelitian baru tersebut, Strano dan rekan-rekannya menemukan proses polimerisasi baru yang memungkinkan mereka menghasilkan lembaran dua dimensi yang disebut poliaramida. Untuk blok penyusun monomer, mereka menggunakan senyawa yang disebut melamin, yang mengandung cincin atom karbon dan nitrogen. Dalam kondisi yang tepat, monomer ini dapat tumbuh dalam dua dimensi, membentuk cakram. Cakram ini bertumpuk di atas satu sama lain, disatukan oleh ikatan hidrogen di antara lapisan-lapisannya, yang membuat strukturnya sangat stabil dan kuat.
"Daripada membuat molekul seperti spageti, kita dapat membuat bidang molekul seperti lembaran, tempat kita membuat molekul saling terkait dalam dua dimensi," kata Strano. "Mekanisme ini terjadi secara spontan dalam larutan, dan setelah kita mensintesis material, kita dapat dengan mudah melapisi film tipis yang luar biasa kuat."
Karena material tersebut dapat dirakit sendiri dalam larutan, material tersebut dapat dibuat dalam jumlah besar hanya dengan menambah jumlah material awal. Para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat melapisi permukaan dengan lapisan tipis material tersebut, yang mereka sebut 2DPA-1.
“Dengan kemajuan ini, kami memiliki molekul planar yang akan jauh lebih mudah dibentuk menjadi material yang sangat kuat, tetapi sangat tipis,” kata Strano.
Ringan tapi kuat
Para peneliti menemukan bahwa modulus elastisitas material baru tersebut — ukuran seberapa besar gaya yang dibutuhkan untuk mengubah bentuk material — empat hingga enam kali lebih besar daripada modulus elastisitas kaca antipeluru. Mereka juga menemukan bahwa daya luluhnya, atau seberapa besar gaya yang dibutuhkan untuk mematahkan material, dua kali lipat dari baja, meskipun material tersebut hanya memiliki kepadatan sekitar seperenam dari baja.
Fitur utama lain dari 2DPA-1 adalah sifatnya yang kedap gas. Sementara polimer lain terbuat dari rantai melingkar dengan celah yang memungkinkan gas meresap, material baru ini terbuat dari monomer yang saling mengunci seperti LEGO, dan molekul tidak dapat masuk di antara keduanya.
"Hal ini memungkinkan kami untuk menciptakan lapisan yang sangat tipis yang dapat sepenuhnya mencegah air atau gas masuk," kata Strano. "Pelapis penghalang semacam ini dapat digunakan untuk melindungi logam pada mobil dan kendaraan lain, atau struktur baja."
Strano dan murid-muridnya sekarang mempelajari lebih detail bagaimana polimer khusus ini mampu membentuk lembaran 2D, dan mereka bereksperimen dengan mengubah susunan molekulnya untuk menciptakan jenis bahan baru lainnya.
Penelitian ini didanai oleh Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), sebuah Pusat Penelitian Perbatasan Energi yang disponsori oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS, dan Laboratorium Penelitian Angkatan Darat.
Kontak Berita:
Email: [email dilindungi]
Tel: + 86-28-8411-1861