受凱夫拉纖維啟發 科學家開發出比鋼鐵更堅固的「自組裝」納米帶

麻省理工學院(MIT)的科學家們通過從自然界和合成纖維凱夫拉(Kevlar)的形成方式中獲得一些靈感,開發出了「自組裝」納米帶,他們說這種納米帶比鋼鐵還要堅固。科學家們說,憑借其獨特的一系列特性和製造手段,這些新型材料可以找到各種用途,從水過濾到為電子設備供電。

受凱夫拉纖維啟發  科學家開發出比鋼鐵更堅固的「自組裝」納米帶

「自組裝」納米帶的部分靈感來自於分子可以自行組裝成膜或自然界中其他重要結構的方式。然而,用工程分子來重現這種情況並不簡單,科學家們通過讓它們在水中自組裝的方式取得了一些成功,不過這也是他們之前遇到的麻煩。

「這些基於小分子的材料往往退化得相當快,」麻省理工學院材料科學與工程系助理教授Julia Ortony解釋道。「而且它們的化學性質也不穩定。當你去除水時,整個結構就會崩潰,特別是當施加任何形式的外力時。」

在幾年的時間里,Ortony和她的團隊一直在研究一類新的小分子,他們希望能夠解決這些缺點,現在他們已經找到了一個解決方案。這些分子的特點是,外側部分是親水的,喜歡與水相互作用,內側部分是疏水的,不喜歡與水相互作用,中間有很強的受凱夫拉啟發的氫鍵,使它們能夠與其他分子緊密結合。

受凱夫拉纖維啟發  科學家開發出比鋼鐵更堅固的「自組裝」納米帶

團隊在試錯後想出了這個配方,涉及幾十個分子設計,但發現這個配方最適合。這是因為疏水段和親水段的微妙混合,以及密集的氫鍵網絡,使得各個分子在水中以恰到好處的方式移動,因為有些部分被液體吸引,而另一些則被排斥,盡管所有分子都相當強烈地相互依附。

當加入水後,分子會自行組合成僅有納米厚的長絲帶,被發現比鋼鐵還堅固。然後,這些絲帶被拉伸成長長的線,可以被晾乾和處理,團隊發現它們可以承受的重量是其自身重量的200倍。這種材料還擁有令人難以置信的高表面積,每克材料的表面積達到200平方米。

「這種高表面質量比為通過用更少的材料進行更多的化學反應來實現技術的小型化提供了希望,」該研究的第一作者Ty Christoff-Tempesta解釋說。

受凱夫拉纖維啟發  科學家開發出比鋼鐵更堅固的「自組裝」納米帶

這些類型的高表面積材料具有很大潛力的一個領域是在水淨化方面。麻省理工學院的團隊通過將某些分子塗覆在絲帶中,並利用它們將鉛和砷等重金屬從被污染的水中拉出來,來探索這些可能性。科學家們還在研究絲帶如何形成先進的電子設備和電池的一部分,不過他們指出,現在研究還處於早期階段。

「我們很興奮地看到,我們對分子結構的修改確實被分子的集體行為所放大,創造了具有極其強大機械性能的納米結構,」Ortony說。「下一步,找出最重要的應用,將是令人興奮的。」

該研究發表在《自然-納米技術》雜志上。

來源:cnBeta