この新素材はメラミンから作られた二次元ポリマーで、他のすべてのポリマーが一次元でスパゲッティのような鎖状構造を形成するのとは異なり、シート状に自己組織化する。これまで科学者たちは、ポリマーを二次元シート状に形成させることは不可能だと考えていた。
このような材料は、自動車部品や携帯電話の軽量で耐久性のあるコーティング、あるいは橋やその他の構造物の建築材料として使用できる可能性があると、MITのカーボン・P・ダブス化学工学教授であり、この新しい研究の筆頭著者であるマイケル・ストラノ氏は述べている。
「プラスチックを建物の支持材として使うことはあまり考えられませんが、この素材を使えば新しいことが可能になるんです」と彼は言う。「非常に珍しい特性を持っており、私たちは非常に興奮しています。」
研究者らは、この材料を生成するために用いたプロセスについて2件の特許を出願しており、そのプロセスについては本日Nature誌に掲載された論文で詳述している。MITのポスドク研究員であるユウェン・ゼン氏がこの研究の筆頭著者である。
二次元
ポリマー（すべてのプラスチックを含む）は、モノマーと呼ばれる構成要素の鎖で構成されています。これらの鎖は、末端に新たな分子が付加されることで成長します。形成されたポリマーは、射出成形によってウォーターボトルなどの立体的な形状に成形することができます。
高分子科学者は長年、ポリマーを二次元シート状に成長させることができれば、極めて強度が高く軽量な材料を形成できるはずだと仮説を立ててきました。しかし、この分野における数十年にわたる研究の結果、そのようなシートを作製することは不可能だという結論に至りました。その理由の一つは、たった一つのモノマーが成長中のシートの平面から上下に回転すると、材料は三次元的に膨張し始め、シート状の構造が失われてしまうからです。
しかし、今回の研究で、ストラノ氏らは、ポリアラミドと呼ばれる二次元シートを生成できる新たな重合プロセスを考案しました。モノマー構成要素として、炭素原子と窒素原子の環を含むメラミンと呼ばれる化合物を使用します。適切な条件下では、これらのモノマーは二次元的に成長し、ディスク状になります。これらのディスクは層間の水素結合によって互いに積み重なり、非常に安定して強固な構造を形成します。
「スパゲッティのような分子を作る代わりに、シート状の分子平面を作ることができます。分子が二次元的に絡み合うことで、このメカニズムが起こります」とストラノ氏は言う。「このメカニズムは溶液中で自然に起こり、材料を合成した後は、スピンコート法で非常に強度の高い薄膜を簡単に作製できます。」
この材料は溶液中で自己組織化するため、出発物質の量を増やすだけで大量生産が可能です。研究者たちは、この材料の膜で表面をコーティングできることを示し、この材料を2DPA-1と名付けました。
「この進歩により、平面分子を非常に強く、それでいて極めて薄い材料に加工することがはるかに容易になります」とストラノ氏は言う。
軽くて強い
研究者たちは、この新素材の弾性率（材料を変形させるのに必要な力の尺度）が防弾ガラスの4～6倍であることを発見した。また、この素材の密度は鋼鉄の約6分の1であるにもかかわらず、降伏強度（材料を破壊するのに必要な力）は鋼鉄の2倍であることも発見した。
2DPA-1のもう一つの重要な特徴は、ガスを透過しないことです。他のポリマーはコイル状の鎖で構成されており、隙間からガスが透過しますが、この新素材はレゴブロックのように互いに噛み合うモノマーで構成されており、分子が間に入り込むことはありません。
「これにより、水やガスの透過を完全に防ぐ超薄型コーティングを開発できる可能性があります」とストラノ氏は語る。「この種のバリアコーティングは、自動車などの乗り物や鉄骨構造物の金属を保護するために使用できる可能性があります。」
ストラノ氏と学生たちは現在、この特定のポリマーがどのようにして2Dシートを形成できるのかをより詳細に研究しており、その分子構造を変えて他の種類の新しい材料を作成する実験を行っています。
この研究は、米国エネルギー省科学局が後援するエネルギーフロンティア研究センターの強化ナノ流体輸送センター（CENT）と陸軍研究所によって資金提供された。
出典：新軽量素材は鋼鉄よりも強い：この新物質は、不可能と思われていた偉業、すなわち二次元での材料の重合によって実現した — ScienceDaily
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