MIT araştırmacıları, gaz moleküllerine neredeyse nüfuz etmeyen hafif bir polimer film geliştirdi; bu, bunun güneş pilleri ve diğer altyapının korozyonunu önlemek ve paketlenmiş gıda ve ilaçların yaşlanmasını yavaşlatmak için koruyucu bir kaplama olarak kullanılabileceği olasılığını artırdı.
Araştırmacılar, yalnızca nanometre kalınlığında bir film olarak uygulanabilen polimerin, laboratuvar ekipmanı tarafından tespit edilebildiği kadarıyla nitrojeni ve diğer gazları tamamen ittiğini buldu. Bu düzeyde bir geçirimsizlik daha önce hiçbir polimerde görülmedi ve grafen gibi moleküler açıdan ince kristalli malzemelerin geçirimsizliğine rakip oldu.
MIT’de Carbon P. Dubbs Kimya Mühendisliği Profesörü Michael Strano, “Polimerimiz oldukça sıra dışı. Açıkça bir çözelti fazlı polimerizasyon reaksiyonundan üretiliyor, ancak ürün mükemmel bir kristal olduğu için gaz geçirmez olan grafen gibi davranıyor. Ancak bu malzemeyi incelediğinizde kimse onu asla mükemmel bir kristalle karıştırmaz” diyor.
Araştırmacıların tanımladığı polimer film DoğaBüyük miktarlara kadar ölçeklendirilebilen ve yüzeylere grafenden çok daha kolay uygulanabilen bir işlem kullanılarak yapılıyor.
Boston Üniversitesi’nde makine mühendisliği doçenti olan Strano ve Scott Bunch, yeni çalışmanın kıdemli yazarlarıdır. Makalenin baş yazarları, eski bir MIT doktora sonrası araştırmacısı olan ve şu anda Boulder’daki Colorado Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Cody Ritt; MIT yüksek lisans öğrencisi Michelle Quien; ve MIT araştırma bilimcisi Zitang Wei.
Çökmeyen kabarcıklar
Strano’nun laboratuvarı yeni malzemeyi ilk kez 2022’de bildirdi: Hidrojen bağları kullanarak kendiliğinden moleküler tabakalar halinde birleşen, 2D poliaramid adı verilen iki boyutlu bir polimer. Daha önce hiç yapılmamış olan bu tür 2D polimer tabakaları oluşturmak için araştırmacılar, karbon ve nitrojen atomlarından oluşan bir halka içeren melamin adı verilen bir yapı taşı kullandılar.
Doğru koşullar altında bu monomerler iki boyutta genişleyerek nanometre boyutunda diskler oluşturabilir. Bu diskler üst üste istiflenir ve katmanlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bir arada tutulur, bu da yapıyı çok kararlı ve güçlü kılar.
Araştırmacıların 2DPA-1 adını verdiği bu polimer çelikten daha güçlü ancak çeliğin yoğunluğunun yalnızca altıda biri kadar.
Araştırmacılar, 2022’deki çalışmalarında malzemenin gücünü test etmeye odaklandılar, ancak aynı zamanda gaz geçirgenliğine ilişkin bazı ön çalışmalar da yaptılar. Bu çalışmalar için filmlerden “baloncuklar” oluşturup içlerini gazla doldurdular. Plastik gibi çoğu polimerde, içeride sıkışan gaz malzemenin içinden dışarı sızarak kabarcığın hızla sönmesine neden olur.
Ancak araştırmacılar, 2DPA-1’den yapılan baloncukların çökmediğini, hatta 2021’de oluşturdukları baloncukların hâlâ şişkin olduğunu buldu. Ritt, “Başlangıçta oldukça şaşırdım” diyor. “Kabarcıkların davranışı, tipik, geçirgen bir polimer için beklediğiniz gibi olmadı. Bu, bu yeni malzemede moleküler taşınımı nasıl doğru bir şekilde inceleyeceğimizi ve anlayacağımızı yeniden düşünmemizi gerektirdi.”
Strano, “İlk olarak malzemenin moleküler olarak nitrojene karşı geçirimsiz olduğunu kanıtlamak için bir dizi dikkatli deney hazırladık” diyor.
“Bu sıkıcı bir iş olarak düşünülebilir. Polimerden mikro kabarcıklar yapıp bunları nitrojen gibi saf bir gazla doldurmamız ve sonra beklememiz gerekiyordu. Rekor sızdırmazlık değerini rapor edebilmek için çok uzun bir süre boyunca bunların çökmediğini tekrar tekrar kontrol etmek zorunda kaldık.”
Geleneksel polimerler, birbirine gevşek bir şekilde bağlanan spagetti benzeri moleküllerden oluştuğu için gazların geçişine izin verir. Bu, teller arasında küçük boşluklar bırakır. Gaz molekülleri bu boşluklardan sızabilir; bu nedenle polimerler her zaman en azından bir dereceye kadar gaz geçirgenliğine sahiptir.
Ancak yeni 2D polimer, disk katmanlarının birbirine yapışması nedeniyle esasen geçirimsizdir.
Strano, “Düz bir şekilde toplanabilmeleri, iki boyutlu diskler arasında hacim olmadığı anlamına gelir ve bu alışılmadık bir durumdur. Diğer polimerlerde, tek boyutlu zincirler arasında hala boşluk vardır, dolayısıyla çoğu polimer film, en azından bir miktar gazın geçmesine izin verir” diyor.
Koruyucu bir kaplama
Araştırmacılar, nitrojenin yanı sıra polimeri helyum, argon, oksijen, metan ve sülfür hekzaflorüre de maruz bıraktılar. 2DPA-1’in bu gazlara karşı geçirgenliğinin mevcut herhangi bir polimerin en az 1/10.000’i olduğunu buldular. Bu, onu neredeyse hatasız kristal yapısı nedeniyle gazlara karşı tamamen geçirimsiz olan grafen kadar geçirimsiz kılar.
Bilim insanları, güneş pillerinde ve diğer cihazlarda korozyonu önlemek için bariyer olarak grafen kaplamalar geliştirmek üzerinde çalışıyor. Bununla birlikte, grafen filmlerin üretiminin ölçeğini büyütmek zordur, çünkü büyük ölçüde yüzeylere kolayca boyanamazlar.
Strano, “Kristal grafeni yalnızca çok küçük parçalar halinde yapabiliyoruz” diyor. “Küçük bir grafen parçası moleküler olarak geçirimsizdir, ancak ölçeklenmez. İnsanlar onu boyamaya çalıştı, ancak grafen kendine yapışmaz, kesildiğinde kayar. Birbirinin yanından geçen grafen tabakalarının neredeyse sürtünmesiz olduğu kabul edilir.”
Öte yandan 2DPA-1 polimeri, katmanlı diskler arasındaki güçlü hidrojen bağları nedeniyle kolaylıkla yapışır. Bu makalede araştırmacılar, yalnızca 60 nanometre kalınlığındaki bir katmanın perovskit kristalinin ömrünü haftalarca uzatabileceğini gösterdi. Perovskitler, ucuz ve hafif güneş pilleri olarak ümit vaat eden malzemelerdir, ancak şu anda yaygın olarak kullanılan silikon güneş panellerinden çok daha hızlı parçalanma eğilimindedirler.
Araştırmacılar, 60 nanometrelik bir kaplamanın perovskitin ömrünü yaklaşık üç haftaya çıkardığını, ancak daha kalın bir kaplamanın daha uzun koruma sağlayacağını söylüyor. Filmler ayrıca çeşitli diğer yapılara da uygulanabilir.
Strano, “Bunun gibi geçirimsiz bir kaplama kullanarak köprüler, binalar, demiryolu hatları gibi altyapıyı, yani dış etkenlere maruz kalan her şeyi koruyabilirsiniz. Otomotiv araçları, uçaklar ve okyanus gemileri de bundan faydalanabilir. Korozyona karşı korunması gereken her şey. Yiyecek ve ilaçların raf ömrü de bu tür malzemeler kullanılarak uzatılabilir” diyor.
Bu yazıda gösterilen diğer uygulama, nano ölçekli bir rezonatördür; aslında belirli bir frekansta titreşen küçük bir tamburdur. Cep telefonlarında boyutları yaklaşık 1 milimetre veya daha küçük olan daha büyük rezonatörler bulunur ve bunlar, telefonun sinyal iletmek ve almak için kullandığı frekans bantlarını almasına olanak tanır.
Strano, “Bu yazıda, grafen gibi geçirimsiz ve oldukça güçlü olduğu için bizim malzememizle yapabileceğiniz ilk polimer 2 boyutlu rezonatörü yaptık” diyor.
“Şu anda telefonunuzdaki ve diğer iletişim cihazlarınızdaki rezonatörler büyük, ancak nanoteknoloji kullanarak onları küçültmeye yönelik bir çaba var. Bunları bir mikrondan daha küçük hale getirmek devrim niteliğinde olacaktır. Cep telefonları ve diğer cihazlar daha küçük olabilir ve sinyal işleme için gereken güç harcamalarını azaltabilir.”
Rezonatörler ayrıca gaz molekülleri dahil çok küçük molekülleri tespit etmek için sensör olarak da kullanılabilir.
