受凯夫拉纤维启发 科学家开发出比钢铁更坚固的“自组装”纳米带

2021年01月27日 11:28 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

麻省理工学院(MIT)的科学家们通过从自然界和合成纤维凯夫拉(Kevlar)的形成方式中获得一些灵感,开发出了“自组装”纳米带,他们说这种纳米带比钢铁还要坚固。科学家们说,凭借其独特的一系列特性和制造手段,这些新型材料可以找到各种用途,从水过滤到为电子设备供电。

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“自组装”纳米带的部分灵感来自于分子可以自行组装成膜或自然界中其他重要结构的方式。然而,用工程分子来重现这种情况并不简单,科学家们通过让它们在水中自组装的方式取得了一些成功,不过这也是他们之前遇到的麻烦。

“这些基于小分子的材料往往退化得相当快,”麻省理工学院材料科学与工程系助理教授Julia Ortony解释道。“而且它们的化学性质也不稳定。当你去除水时,整个结构就会崩溃,特别是当施加任何形式的外力时。”

在几年的时间里,Ortony和她的团队一直在研究一类新的小分子,他们希望能够解决这些缺点,现在他们已经找到了一个解决方案。这些分子的特点是,外侧部分是亲水的,喜欢与水相互作用,内侧部分是疏水的,不喜欢与水相互作用,中间有很强的受凯夫拉启发的氢键,使它们能够与其他分子紧密结合。

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团队在试错后想出了这个配方,涉及几十个分子设计,但发现这个配方最适合。这是因为疏水段和亲水段的微妙混合,以及密集的氢键网络,使得各个分子在水中以恰到好处的方式移动,因为有些部分被液体吸引,而另一些则被排斥,尽管所有分子都相当强烈地相互依附。

当加入水后,分子会自行组合成仅有纳米厚的长丝带,被发现比钢铁还坚固。然后,这些丝带被拉伸成长长的线,可以被晾干和处理,团队发现它们可以承受的重量是其自身重量的200倍。这种材料还拥有令人难以置信的高表面积,每克材料的表面积达到200平方米。

“这种高表面质量比为通过用更少的材料进行更多的化学反应来实现技术的小型化提供了希望,”该研究的第一作者Ty Christoff-Tempesta解释说。

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这些类型的高表面积材料具有很大潜力的一个领域是在水净化方面。麻省理工学院的团队通过将某些分子涂覆在丝带中,并利用它们将铅和砷等重金属从被污染的水中拉出来,来探索这些可能性。科学家们还在研究丝带如何形成先进的电子设备和电池的一部分,不过他们指出,现在研究还处于早期阶段。

“我们很兴奋地看到,我们对分子结构的修改确实被分子的集体行为所放大,创造了具有极其强大机械性能的纳米结构,”Ortony说。“下一步,找出最重要的应用,将是令人兴奋的。”

该研究发表在《自然-纳米技术》杂志上。

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