Одностенные углеродные нанотрубки, дополненные кольцевой молекулой с двумя аминными группами, значительно улучшили механические свойства пластика. Созданный материал может подвергаться переработке четыре раза с сохранением свойств.
Существует два типа пластмасс: термопласты, которые могут плавиться и формоваться, и термореактивные пластмассы, которые не плавятся при высоких температурах из-за прочных химических связей между полимерными цепями. Термореактивные пластмассы хорошо выдерживают удары и механические нагрузки, их слабое место — хрупкость. Для усиления можно использовать углеродные волокна. Это решение дает производить прочные, но неперерабатываемые шлемы и спортивное оборудование.
Научная группа под руководством Эмилио Переса (Emilio Pérez) изучает стратегии улучшения механических свойств перерабатываемых пластиков. Основной интерес исследователей — «ковалентная адаптируемая сеть», пластик с похожей на термореактивную структурой и возможностью при желании разорвать связи между полимерными цепями с помощью воды или температуры.
Недавно ученые впервые использовали для усиления пластика вариант углеродных нанотрубок с механически закрепленными кольцевыми молекулами, MINT (mechanically interlocked carbon nanotubes). Кольцевую молекулу формируют, замыкая в процессе синтеза U-образную основу для кольца вокруг нанотрубки.
Химически они не взаимодействуют, кольцо может перемещаться по нанотрубке. Такая модификация позволила значительно улучшить механические свойства материала. О результатах исследования ученые рассказали в журнале Advanced Functional Materials.
К нанотрубке прикрепляются кольцевые органические молекулы, образуя прочную и гибкую связь. Эти молекулы формируются отдельным семиступенчатым синтезом. Механическое крепление колец позволяет им относительно свободно передвигаться по нанотрубке. Исследователи добавили к кольцам две аминогруппы для образования ковалентных связей с полимером на стороне кольца. Свойства чистых нанотрубок могут значительно ухудшиться от образования ковалентной связи с полимерами.
Исследователи добились полной передачи напряжений от полимера к нанотрубкам. Их модуль Юнга — мера возможности сопротивления растяжению и сжатию — составляет один терапаскаль, что в пять раз выше, чем у стали, при этом нанотрубки намного легче.
Добавление одного процента нанотрубок по массе увеличивает модуль Юнга всего материала на 77 процентов, а прочность на разрыв — на 100 процентов. Эти характеристики сохраняются после четырех циклов переплавки и переработки композитного материала.
Дополнительное увеличение количества нанотрубок не улучшает свойства материала: важно не количество, а ковалентные связи между нанотрубками и полимером. Кольцевые молекулы на нанотрубках также не дают им слипаться в крупные агломераты.
Создание пластмасс, столь же прочных, как углеродное волокно, но пригодных для переработки, — важный шаг к более экологичным и устойчивым пластмассам. Например, производство более легких автомобилей и самолетов позволит экономить топливо.