奈米級「中世紀鎖子甲」：每平方公分含100兆個化學鍵，或成防護裝甲新未來

研究人員揭露了一種超強的奈米級材料，它由首批二維機械互鎖聚合物製成。此材料在分子層級上類似中世紀的鎖子甲，未來或可用於製作防彈衣。

化學家發明瞭一種新的材料，它可能會成為防彈衣的未來之星——鎖子甲。但這可不是中世紀的翻版，科學家表示，這種新型超強材料是由奈米尺度下互鎖的分子所構成。

研究人員將分子鏈像鏈條上的環節一樣連線起來，製造出了世界上首種具有長度和寬度的二維機械互鎖材料（2D MIM）薄片。研究人員在1月16日發表於《科學》期刊的研究中指出，這種材料每平方公分含有100兆個化學鍵（每平方英吋約650兆個），這是迄今為止所達到的最高機械鍵密度。

研究作者在一種名為Ultem的堅韌塑膠材料中新增了少量的上述材料，Ultem同樣也是由分子鏈構成。Ultem本身就已經非常堅固，但加入2D MIM後變得更強。這項研究最終可能會用於防彈衣製造，部分經費由政府的國防高等研究計劃署資助。

「它和鎖子甲類似，不容易撕裂，因為每個機械鍵都有一定的活動空間可以滑動，」研究共同作者、伊利諾州西北大學的化學教授威廉·迪希特爾在一份宣告中表示。「如果你拉扯它，它可以將施加的力分散到多個方向。而且如果你想把它撕裂，你必須在很多不同的地方同時破壞它。」

2D MIM材料由互鎖的聚合物構成，聚合物是由稱為單體的小分子組成的長鏈。宣告中指出，研究團隊將X形單體排成線狀，並排列成晶體結構，使其相互反應，這樣單體的末端就會與其他單體的末端結合。

每個單體的X形結構留下了空隙，研究人員可以在其中編織更多的分子構建單元鏈，在晶體內部形成互鎖的二維聚合物層。然後科學家溶解晶體以獲得互鎖的聚合物。

「聚合物形成後，並沒有太多東西將結構固定在一起，」迪希特爾說。「所以，當我們把它放入溶劑中時，晶體會溶解，但每個二維層會保持完整。我們可以操控這些單獨的薄片。」

為了測試他們的新材料，研究人員用97.5%的Ultem纖維和2.5%的2D MIM製成了複合材料。研究顯示，少量的互鎖二維聚合物使Ultem纖維變形所需的力增加了45%，並使Ultem能承受的應力增加了22%。

「我們還有很多分析要做，但我們可以看出它提高了這些複合材料的強度，」迪希特爾說。「我們測量的幾乎每個性質在某方面都很出色。」