比防彈玻璃強又超輕薄!新型「超級塑膠」可能影響你的手機、汽車、房子
塑膠界的「超級英雄」來了。
《自然》雜誌近日公佈了一項被認為「不可能」的成果——
麻省理工學院的科學家研發了一種全新的材料,名為2DPA-1,它比防彈玻璃還要強4-6倍,比鋼材還要硬兩倍,但密度只有鋼材的1/6。
最令人意外的是,它只有普通塑膠那麼輕。
也就是說,它極其堅固,又極其輕薄。
而且,它還很容易大批量生產。
這也就意味著,這種「超級塑膠」離每個人都很近。
材料科學的革命性進步,對於各行各業都是顛覆性的改變。自然,也涵蓋了我們生活的方方面面。
讓「超級塑膠」再飛一下
當它用在手機上——
作為輕質耐用塗層,它能讓你的手機更加地耐磨耐摔。
當它變成日常工具——
我們平時使用的塑膠袋,可以做成更多拉鍊式袋子反複利用,它還比布包、皮包都耐用。
在裝一些特定物品時,更不用擔心塑膠袋隨隨便便就被捅破了。
當它用在汽車上——
作為製造汽車的材料,它可以讓汽車更輕便,然後減少能耗,續航更久。
作為阻隔塗層,它可以保護汽車中的金屬或鋼結構,讓汽車更加地長壽。
因為它的密度非常小,氣體無法滲透,所以這種阻隔塗層還可以變成「油漆」或工業塗料,塗到家裡的有需要的物品上,防止它們氧化、生鏽、腐爛。
就像一道天然的屏障。
這將是它首先在商業上最直接的應用。
當它用在建築物上——
這種「超級塑膠」的性能優於鋼鐵等材料,無論是建橋樑還是建大樓,比起以往,都可以減少材料的使用。
同時,製造這種材料比製造玻璃和鋼鐵都更簡單,就能減少更多能源消耗和人力成本。
也就是說,更加環保可持續了。
當面向各行各業——
它可以變成盾牌、變成防彈衣,可以讓警察出行更輕鬆又更安全;在太空器材上,同樣可以減輕重量,又保證發射品質……
可以想像,它強大的特性,還將用到我們衣食住行更多地方。
「超級塑膠」是如何煉成的?
「超級塑膠」2DPA-1,是一種二維聚合物。
在此之前,聚合物通常都只能形成一維的結構。
我們日常的塑膠、橡膠、玻璃都是聚合物,它們本質上是單個分子鏈,就像意大利麵條一樣平坦連接在一起,當它們的末端不斷添加新分子,就會像烤箱裡的蛋糕一樣生長膨脹,就像然後變成三維的實物。
這讓它們可以很輕,但也暴露出了一個弱點——分子中間有間隙,氣體能通過。
這就是為什麼當你用塑膠袋裝一袋辣條時,也能從外面聞到裡面誘人的味道。
科學家們幾十年來不斷在嘗試研究二維聚合物,但都失敗了。
因為只要有一個單體不按規則活動,開始前後偏離左右旋轉,那麼片狀結構就會被破壞,最後又會膨脹成一個「蓬鬆的蛋糕」。
這次,麻省理工的Michael S. Strano教授和他的同事們終於打破了局限。
他們通過一種化合物:三聚氰胺,創造出了這種新材料。
三聚氰胺有碳和氮環的結構,單體可以在二維上生長,形成圓盤,相互堆疊,各層之間的氫鍵穩定相連,結構就變得非常牢固。
就像操場上所有孩子排排坐,手拉手,然後靠在一起,又像樂高積木一樣緊緊鎖合,再也分不開。
於是,新的二維聚合物就誕生了。
這種高強度的材料不僅非常輕,還非常硬,比鋼還硬。
因為單體牢牢鎖在一起,所以氣體和水分子都無法穿透,密閉性非常強,這也是為什麼它能作為天然的屏障,密不透風。
再令人驚奇的是,這些聚合物會自行組裝。
只需要溶液,單體就可以在其中自行堆疊成片狀,人們可以直接合成更多複合材料。
所以,它就能被大規模製造。
現在,研究人員已經在進行塗料和膜的新應用,當進一步研究結構調整,還可以生產納米過濾、氣體分離的新一代聚合物。
「超級塑膠」未來的應用不可限量。
我們在等待怎樣的「未來塑膠」?
現在,大家對塑膠的印象可能都不太好。
插在海龜鼻孔裡的塑膠吸管、漫天幾百年都無法分解的塑膠垃圾、無法回收只能艱難再利用的塑膠製品、焚燒塑膠產生的滾滾廢氣……
有數據表明:
如果塑膠的生命週期是一個國家,它將成為世界第5大溫室氣體排放國;
據聯合國公佈的數據,全球每年消耗5000億個塑膠袋,每分鐘賣出100萬個塑膠瓶;
如果不調整我們生產使用塑膠的方式,2050年地球將會有120億噸塑膠垃圾。
所以上到最大的塑膠污染公司可口可樂,開始加大塑膠可回收力度,下到各類提倡綠色環保的新消費品牌,開始從供應鏈到產品都更可持續,甚至各大超市和便利店都開始「限塑」。
但塑膠為什麼難擺脫,就是因為它的確太好用了。
所以,需要從源頭上來解決問題。
已經有很多公司在用新的材料來取代塑膠。
初創公司Ecovative用蘑菇來做包裝材料,其中的菌絲體可以生長成特定大小和形狀,還有利於分解和循環。
一直強調環保的Allbirds用羊絨做鞋子,用回收瓶做鞋帶,包裝也換成了90%的再生紙板。
前年倫敦舉辦的半馬馬拉松上,運動員半途直接吃一種名為「Ooho」的「水球膠囊」,因為包裝不是塑膠,而是用海藻和植物成分做成。
甚至還有人將鮭魚精子的DNA鏈溶解在水中,形成的一種柔軟可延展的「水凝膠」,團隊稱之為「DNA塑膠」。
「塑膠替代品」是一種緩解的方式,但還有很多真塑膠無法被替代的地方。
於是在另一條賽道上,新型塑膠也層出不窮地誕生。
大家比較熟知的,可能是現在的可生物分解塑膠。
「可生物分解」的塑膠,從術語上來看,大家一般都會理解為把塑膠扔在土地裡,不久後它就會自動消失。
但實際上,它仍需要足夠的時間分解,這個時間可能是數百年。
這樣意義其實就不大了,畢竟在某個時間段內,一切都可生物分解。
還有「可堆肥塑膠」,大家可能認為丟土裡它就能消失,還能讓土壤剛有營養。
但實際上,只有在特殊的堆肥機中,它才有效。而就算這種塑膠隨時可用,我們也不可能把它們都丟進匹配的土裡。
技術正在快速進步。
去年同樣在《自然》雜誌上,已經有科學家製造出了能在幾天或幾週內分解的塑膠。
舊金山灣區的一家初創公司也製造出了名為Intropic Materials的「可堆肥塑膠」,能讓人們在家裡就能把它扔盆栽、變肥料。
這些塑膠普及後,我們就可以毫不內疚地扔掉它們。
而前面提到的「超級塑膠」,可以應用到更多新的領域,甚至替代鋼材和其他材料。
讓現有的塑膠被回收、被消解,讓未來的塑膠更快來、有實效,還需要一點時間和實踐。
這一場塑膠戰,才剛剛開始。
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