这种新材料和钢一样坚固，但更轻

科学家们已经创造出了与钢铁相当的塑料——具有钢铁的全部强度，但没有钢铁的重量。塑料，化学家有时称之为聚合物，是一类长链分子由称为单体的短重复单元组成。与以前具有相同强度的聚合物不同，这种新材料完全以膜的形式存在。它的气密性也比市场上最不透水的塑料高 50 倍。这种聚合物的另一个值得注意的方面是其合成简单。只需在室内条件下进行廉价材料，即可批量生产出厚度仅为纳米的大片聚合物。研究人员于 2 月 2 日在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

这种材料被称为聚酰胺，是一种由酰胺分子单元组成的螺旋状网络（酰胺是氮与氧结合的碳原子相连的化学基团）。这类聚合物包括用于制造防弹背心的凯夫拉纤维和防火织物诺梅克斯。与凯夫拉一样，这种新材料中的聚酰胺分子通过氢键沿着其分子链相互连接，从而增强了材料的整体强度。

麻省理工学院化学工程师、论文主要作者迈克尔·斯特拉诺 (Michael Strano) 表示：“它们像尼龙搭扣一样粘在一起。”要撕开这种材料，不仅需要折断单个分子链，还需要克服遍布整个聚合物束的大量分子间氢键。

此外，这种新型聚合物可以自动形成薄片。这使得这种材料易于加工，因为它可以制成膜或用作薄膜表面涂层。传统聚合物往往以线性链的形式生长，或者在三维空间中不分方向地分支和反复连接。但斯特拉诺的聚合物以独特的方式在二维空间中生长，形成纳米薄片。

“你能在薄片中聚合吗？事实证明，在我们的研究之前，在大多数情况下，你都无法实现聚合，”斯特拉诺说。“所以，我们发现了一种新机制。”在最近的这项研究中，他的团队克服了障碍，使这种二维聚合成为可能。

聚芳酰胺之所以具有平面结构，是因为聚合物合成涉及一种称为自催化模板的机制：随着聚合物的延长和单体结构块的粘合，不断增长的聚合物网络会诱导后续单体仅在正确的方向上结合，以加强整体的二维结构。研究人员证明，他们可以轻松地将这种聚合物溶液涂在晶圆上，以创建厚度不到 4 纳米、宽度为一英寸的层压板。这几乎是普通办公用纸厚度的百万分之一。

为了量化这种聚合物材料的机械性能，研究人员测量了用细针在悬浮的材料片上戳孔所需的力。这种聚酰胺确实比传统的聚合物（如用于制造降落伞的尼龙）更硬。值得注意的是，将这种超强聚酰胺掰开所需的力是掰断相同厚度的钢的两倍。斯特拉诺说，这种物质可以用作金属表面的保护涂层，如汽车表面涂层，或用作净化水的过滤器。在后一种功能中，理想的过滤膜需要足够薄但足够坚固，以承受高压，而不会将细小的、令人讨厌的污染物泄漏到我们最终的供应品中——这种聚酰胺材料非常适合。

未来，斯特拉诺希望将聚合方法扩展到除凯夫拉类似物之外的其他聚合物。“聚合物无处不在，”他说。“它们无所不能。”想象一下将许多不同类型的聚合物，甚至是可以导电或发光的奇异聚合物，转化为可以覆盖各种表面的薄膜，他补充道。“也许由于这种新机制，现在可以使用其他类型的聚合物，”斯塔诺说。

斯特拉诺说，在一个被塑料包围的世界里，社会有理由为另一种机械性能非同寻常的新型聚合物感到兴奋。这种聚芳酰胺非常耐用，这意味着我们可以用更少的、更坚固的材料替代日常塑料，从涂料到袋子再到食品包装。从可持续发展的角度来看，斯特拉诺补充说，这种超强二维聚合物是朝着让世界摆脱塑料的正确方向迈出的一步。