Wow, Bahan Ini Lebih Kuat dari Baja tapi Ringan seperti Plastik!

Nationalgeographic.co.id—Menggunakan proses polimerisasi baru, insinyur kimia MIT telah menciptakan bahan baru yang lebih kuat dari baja dan seringan plastik, juga dapat dengan mudah diproduksi dalam jumlah yang besar.

Bahan baru ini adalah polimer dua dimensi yang merakit diri menjadi lembaran, tidak seperti semua polimer lainnya, yang membentuk rantai satu dimensi, seperti spageti. Sampai sekarang, para ilmuwan percaya bahwa tidak mungkin menginduksi polimer untuk membentuk lembaran 2D.

“Bahan seperti itu dapat digunakan sebagai pelapis yang ringan dan tahan lama untuk suku cadang mobil ataupun ponsel, atau sebagai bahan bangunan untuk jembatan juga struktur lainnya,” kata Michael Strano, Profesor Teknik Kimia Carbon P. Dubbs di MIT dan penulis senior studi baru.

"Kami biasanya tidak menganggap plastik sebagai sesuatu yang dapat Anda gunakan untuk menopang sebuah bangunan, tetapi dengan bahan ini, Anda dapat mengaktifkan hal-hal baru," katanya. "Ini memiliki sifat yang sangat tidak biasa dan kami sangat senang tentang itu."

Para peneliti telah mengajukan dua paten pada proses yang mereka gunakan untuk menghasilkan bahan ini, yang mereka gambarkan dalam makalah yang diterbitkan di jurnal Nature pada 2 Februari 2022 dengan judul Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material. MIT postdoc Yuwen Zeng adalah penulis utama studi ini.

Polimer, yang mencakup semua plastik, terdiri dari rantai blok bangunan yang disebut monomer. Rantai ini tumbuh dengan menambahkan molekul baru ke ujungnya. Setelah terbentuk, polimer dapat dibentuk menjadi objek tiga dimensi, seperti botol air, menggunakan cetakan injeksi.

Ilmuwan polimer telah lama berhipotesis bahwa jika polimer dapat diinduksi untuk tumbuh menjadi lembaran dua dimensi, mereka harus membentuk bahan yang sangat kuat dan ringan. Namun, beberapa dekade kerja di bidang ini mengarah pada kesimpulan bahwa tidak mungkin membuat lembaran seperti itu. Salah satu alasannya adalah jika hanya satu monomer yang berputar ke atas atau ke bawah, keluar dari bidang lembaran yang tumbuh, material akan mulai mengembang dalam tiga dimensi dan struktur seperti lembaran akan hilang.

Namun, dalam studi baru ini, Strano bersama rekan-rekannya menemukan proses polimerisasi baru yang memungkinkan mereka menghasilkan lembaran dua dimensi yang disebut poliaramida. Untuk blok bangunan monomer, mereka menggunakan senyawa yang disebut melamin, yang mengandung cincin atom karbon dan nitrogen. Di bawah kondisi yang tepat, monomer ini dapat tumbuh dalam dua dimensi, membentuk cakram. Disk ini menumpuk di atas satu sama lain, disatukan oleh ikatan hidrogen di antara lapisan, yang membuat strukturnya sangat stabil dan kuat.

"Alih-alih membuat molekul seperti spageti, kita bisa membuat bidang molekul seperti lembaran, di mana kita mendapatkan molekul untuk menghubungkan diri mereka sendiri dalam dua dimensi," kata Strano. "Mekanisme ini terjadi secara spontan dalam larutan, dan setelah kami mensintesis bahannya, kami dapat dengan mudah melapisi film tipis yang sangat kuat." ujarnya.

MIT

Polimer 2D (kiri), dan jembatan yang sedang dibangun (kanan). Polimerisasi bahan dalam dua dimensi, lebih kuat dari baja tapi ringan seperti plastik.

Karena bahan ini dapat dirakit sendiri dalam larutan, bahan tersebut dapat dibuat dalam jumlah besar hanya dengan menambah jumlah bahan awal. Para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat melapisi permukaan dengan lapisan material, yang mereka sebut 2DPA-1.

"Dengan kemajuan ini, kami memiliki molekul planar yang akan lebih mudah dibuat menjadi bahan yang sangat kuat, tetapi sangat tipis," tutur Strano.

Para peneliti menemukan bahwa modulus elastisitas material baru, atau ukuran seberapa besar kekuatan yang diperlukan untuk merusak material, adalah antara empat dan enam kali lebih besar daripada kaca antipeluru. Mereka juga menemukan bahwa kekuatan luluhnya, atau seberapa besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan material, adalah dua kali lipat dari baja, meskipun material tersebut hanya memiliki sekitar seperenam densitas baja.

Fitur kunci lain dari 2DPA-1 adalah kedap gas. Sementara polimer lain dibuat dari rantai melingkar dengan celah yang memungkinkan gas meresap, bahan baru ini dibuat dari monomer yang saling mengunci seperti LEGO, dan molekul tidak bisa masuk di antara mereka.

Melansir Tech Explorist, Matthew Tirrell, dekan dari Pritzker School of Molecular Engineering di University of Chicago, mengatakan, "Teknik baru ini mewujudkan beberapa kimia yang sangat kreatif untuk membuat polimer 2D yang terikat ini. Aspek penting dari polimer baru ini adalah bahwa mereka siap diproses dalam larutan, yang akan memfasilitasi banyak aplikasi baru di mana rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi penting, seperti komposit baru atau bahan penghalang difusi.”

"Ini memungkinkan kami untuk membuat lapisan ultra tipis yang benar-benar dapat mencegah air atau gas masuk," kata Strano. "Lapisan penghalang semacam ini dapat digunakan untuk melindungi logam di mobil dan kendaraan lain, atau struktur baja." pungkasnya.

Strano dan murid-muridnya sekarang mempelajari lebih detail bagaimana polimer khusus ini dapat membentuk lembaran 2D, dan mereka bereksperimen dengan mengubah susunan molekulnya untuk membuat jenis bahan baru lainnya.

Baca Juga: Lawan Pemanasan Global, Para Peneliti Kembangkan Teknologi Baru

REKOMENDASI HARI INI

Peneliti Ungkap Hubungan Tanaman dan Bahasa Abui yang Terancam Punah di Pulau Alor