Химики получили прочный и устойчивый двумерный полимер

Химики из США получили прочный двумерный полимер с помощью необратимой кондесанции меламина и хлорангидрида ароматической трикарбоновой кислоты. Полиамидная система превзошла по пределу прочности конструкционную сталь ASTM A36 почти в два раза, а низкая газопроницаемость пленок из полиамидного полимера позволит применять их в качестве материала барьерных покрытий, пишут ученые в журнале Nature.

Ученые разрабатывают способы синтеза двумерных полимеров с начала 20 века. Первым толчком к исследованиям в этой области была работа 1935-го года, в которой химики обнаружили, что амфифильные молекулы могут выстраиваться в длинные цепочки на поверхности раздела фаз. Затем ученые научились получать 2D-полимеры разными способами: осаждением из газовой фазы, сольвотермической кристаллизацией, синтезом на подложках. Но несмотря на разнообразие методов, получить крепкий и химически устойчивый 2D-полимер на чисто органической основе химикам не удавалось до недавнего времени.

В последние годы ученые пробовали использовать необратимые органические реакции для синтеза двумерных полимеров. В частности, в 2019 году химики успешно применили реакцию нуклеофильного ароматического замещения для синтеза полиэфирного 2D-полимера, который можно было дополнительно модифицировать после синтеза. Недостаток метода получения, предложенного в этой работе — высокая температура процесса (около 120 градусов Цельсия).

В целом, сложность синтеза 2D-полимеров с помощью необратимых химических процессов заключается в том, что все растущие полимерные цепочки должны лежать в одной плоскости. При этом если хотя бы одна цепочка проворачивается и выходит из плоскости, двумерная структура нарушается. Чтобы преодолеть эту сложность, химики под руководством Майкла Страно (Michael S. Strano) из Массачусетского технологического института решили использовать сопряженные, структурно жесткие амиды как основу двумерного полимера.

Авторы смешали меланин и тримезоилхлорид в присутствии пиридина и перемешивали реакционную смесь сутки при комнатной температуре. Полученный гель химики очистили и высушили в вакууме, в результате чего получили 2D-полимер. Данные его ИК-спектров подтвердили образование амидных связей, а сканирующая атомно-силовая микроскопия показала, что молекулы полимера собираются в нанолисты за счет прочных водородных связей в слоистой структуре.

Затем химики обнаружили необычное свойство полученного вещества: оно не распадалось в очень сильнокислой среде (авторы связывают это с прочностью амидных связей). Благодаря такому свойству, химики смогли приготовить пленки полимера на подложке с помощью спин-коутинга раствора полимера в трифторуксусной кислоте. Сканирующая электронная микроскопия полученных пленок не обнаружила дефектов в структуре полимера, а тест на газопроницаемость показал, что полимерные пленки пропускают газ в ~22 раза хуже, чем самые газонепроницаемые барьерные материалы .

В итоге поликонденсация ароматических аминов с хлорангидридами оказалась удобным методом синтеза 2D-полимера. Измеренный модуль Юнга полученного материала достиг значения в ~12,7 гигапаскалей, а предел прочности составил около 488 мегапаскалей. Авторы работы считают, что их полимер можно будет применять в составе прочных конструкционных или барьерных материалов.

Ранее мы рассказывали про 2D-полимер, полученный с помощью реакции Ульмана и обладающий полупроводниковыми свойствами.

Михаил Бойм