Вдохновленные природой и способом формирования синтетического волокна кевлар, ученые Массачусетского технологического института разработали самособирающиеся наноленты, которые, по их словам, прочнее стали. Обладая уникальным набором свойств и благодаря способу изготовления, ученые говорят, что эти новые материалы могут найти все виды применения, от фильтрации воды до питания электронных устройств.
Самоформирующиеся наноленты частично вдохновлены тем, как молекулы могут собираться в мембраны или другие важные структуры в природе. Воссоздать это с помощью искусственно созданных молекул непросто, однако ученые добились некоторого успеха, заставив их собраться в воде, хотя именно здесь они ранее сталкивались с проблемами.
«Эти низкомолекулярные материалы, как правило, довольно быстро разлагаются», - объясняет Джулия Ортони, доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «И они химически нестабильны. Вся конструкция разваливается, когда вы удаляете воду, особенно когда применяется какая-либо внешняя сила».
В течение нескольких лет Ортони и ее команда работали над новым классом малых молекул, которые, как они надеялись, могли устранить эти недостатки, и теперь нашли решение. Эти молекулы имеют внешнюю часть, которая является гидрофильной и любит взаимодействовать с водой, внутренняя часть является гидрофобной и не любит взаимодействовать с водой, а также прочными водородными связями инспирированные кевларом в середине, которые позволяют им плотно соединяться с другими молекулами.
Команда придумала этот рецепт после проб и ошибок с участием десятков конструкций молекул, но нашла этот рецепт наиболее подходящим для их средств. Это потому, что деликатное сочетание гидрофобных и гидрофильных сегментов, наряду с плотной сетью водородных связей, заставляет отдельные молекулы двигаться в воде правильным образом, поскольку одни части притягиваются к жидкости, а другие отталкиваются, хотя все они довольно сильно цепляются друг за друга.
При добавлении воды молекулы собираются в длинные ленты толщиной всего в один нанометр, которые оказались прочнее стали. Затем они были растянуты в длинные нити, которые можно было сушить и обрабатывать, и команда обнаружила, что они могут удерживать вес в 200 раз больше своего собственного. Материал также может похвастаться невероятно большой площадью поверхности - 200 квадратных метров на грамм материала.
«Такое высокое отношение поверхности к массе открывает перспективы для технологий миниатюризации за счет выполнения большего количества химии с меньшим количеством материала», - объясняет Тай Кристофф-Темпеста, первый автор исследования.
Одна из областей, где эти типы материалов с большой площадью поверхности имеют большой потенциал, - это очистка воды. Команда Массачусетского технологического института исследовала эти возможности, покрывая ленты определенными молекулами и используя их для извлечения тяжелых металлов, таких как свинец и мышьяк, из загрязненной воды. Ученые также изучают, как ленты могут быть частью современных электронных устройств и аккумуляторов, хотя они отмечают, что исследования еще только начинаются.
«Мы были взволнованы, увидев, что наши модификации молекулярной структуры действительно были усилены коллективным поведением молекул, создавая наноструктуры с чрезвычайно прочными механическими свойствами», - говорит Ортони. «Следующий шаг, определение наиболее важных приложений, будет захватывающим».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.