【数位时代 BusinessNext】2022.02.11
麻省理工学院的科学家研发了一种全新的材料,它比防弹玻璃还要强4-6倍,比钢材还要硬两倍,但密度只有钢材的1/6,最令人意外的是,它只有普通塑胶那么轻。
塑胶界的「超级英雄」来了。
《自然》杂誌近日公布了一项被认为「不可能」的成果——
麻省理工学院的科学家研发了一种全新的材料,名为2DPA-1,它比防弹玻璃还要强4-6倍,比钢材还要硬两倍,但密度只有钢材的1/6。
最令人意外的是,它只有普通塑胶那么轻。
也就是说,它极其坚固,又极其轻薄。
而且,它还很容易大批量生产。
这也就意味着,这种「超级塑胶」离每个人都很近。
材料科学的革命性进步,对于各行各业都是颠覆性的改变。自然,也涵盖了我们生活的方方面面。
让「超级塑胶」再飞一下
当它用在手机上——
作为轻质耐用涂层,它能让你的手机更加地耐磨耐摔。
当它变成日常工具——
我们平时使用的塑胶袋,可以做成更多拉鍊式袋子反複利用,它还比布包、皮包都耐用。
在装一些特定物品时,更不用担心塑胶袋随随便便就被捅破了。
当它用在汽车上——
作为製造汽车的材料,它可以让汽车更轻便,然后减少能耗,续航更久。
作为阻隔涂层,它可以保护汽车中的金属或钢结构,让汽车更加地长寿。
因为它的密度非常小,气体无法渗透,所以这种阻隔涂层还可以变成「油漆」或工业涂料,涂到家里的有需要的物品上,防止它们氧化、生鏽、腐烂。
就像一道天然的屏障。
这将是它首先在商业上最直接的应用。
当它用在建筑物上——
这种「超级塑胶」的性能优于钢铁等材料,无论是建桥樑还是建大楼,比起以往,都可以减少材料的使用。
同时,製造这种材料比製造玻璃和钢铁都更简单,就能减少更多能源消耗和人力成本。
也就是说,更加环保可持续了。
当面向各行各业——
它可以变成盾牌、变成防弹衣,可以让警察出行更轻鬆又更安全;在太空器材上,同样可以减轻重量,又保证发射品质……
可以想像,它强大的特性,还将用到我们衣食住行更多地方。
「超级塑胶」是如何炼成的?
「超级塑胶」2DPA-1,是一种二维聚合物。
在此之前,聚合物通常都只能形成一维的结构。
我们日常的塑胶、橡胶、玻璃都是聚合物,它们本质上是单个分子链,就像意大利麵条一样平坦连接在一起,当它们的末端不断添加新分子,就会像烤箱里的蛋糕一样生长膨胀,就像然后变成三维的实物。
这让它们可以很轻,但也暴露出了一个弱点——分子中间有间隙,气体能通过。
这就是为什么当你用塑胶袋装一袋辣条时,也能从外面闻到里面诱人的味道。
科学家们几十年来不断在尝试研究二维聚合物,但都失败了。
因为只要有一个单体不按规则活动,开始前后偏离左右旋转,那么片状结构就会被破坏,最后又会膨胀成一个「蓬鬆的蛋糕」。
这次,麻省理工的Michael S. Strano教授和他的同事们终于打破了局限。
他们通过一种化合物:三聚氰胺,创造出了这种新材料。
三聚氰胺有碳和氮环的结构,单体可以在二维上生长,形成圆盘,相互堆叠,各层之间的氢键稳定相连,结构就变得非常牢固。
就像操场上所有孩子排排坐,手拉手,然后靠在一起,又像乐高积木一样紧紧锁合,再也分不开。
于是,新的二维聚合物就诞生了。
这种高强度的材料不仅非常轻,还非常硬,比钢还硬。
因为单体牢牢锁在一起,所以气体和水分子都无法穿透,密闭性非常强,这也是为什么它能作为天然的屏障,密不透风。
再令人惊奇的是,这些聚合物会自行组装。
只需要溶液,单体就可以在其中自行堆叠成片状,人们可以直接合成更多複合材料。
所以,它就能被大规模製造。
现在,研究人员已经在进行涂料和膜的新应用,当进一步研究结构调整,还可以生产纳米过滤、气体分离的新一代聚合物。
我们在等待怎样的「未来塑胶」?
现在,大家对塑胶的印象可能都不太好。
插在海龟鼻孔里的塑胶吸管、漫天几百年都无法分解的塑胶垃圾、无法回收只能艰难再利用的塑胶製品、焚烧塑胶产生的滚滚废气……
有数据表明:
如果塑胶的生命週期是一个国家,它将成为世界第5大温室气体排放国;
据联合国公布的数据,全球每年消耗5000亿个塑胶袋,每分钟卖出100万个塑胶瓶;
如果不调整我们生产使用塑胶的方式,2050年地球将会有120亿吨塑胶垃圾。
所以上到最大的塑胶污染公司可口可乐,开始加大塑胶可回收力度,下到各类提倡绿色环保的新消费品牌,开始从供应链到产品都更可持续,甚至各大超市和便利店都开始「限塑」。
但塑胶为什么难摆脱,就是因为它的确太好用了。
所以,需要从源头上来解决问题。
已经有很多公司在用新的材料来取代塑胶。
初创公司Ecovative用蘑菇来做包装材料,其中的菌丝体可以生长成特定大小和形状,还有利于分解和循环。
前年伦敦举办的半马马拉松上,运动员半途直接吃一种名为「Ooho」的「水球胶囊」,因为包装不是塑胶,而是用海藻和植物成分做成。
甚至还有人将鲑鱼精子的DNA链溶解在水中,形成的一种柔软可延展的「水凝胶」,团队称之为「DNA塑胶」。
「塑胶替代品」是一种缓解的方式,但还有很多真塑胶无法被替代的地方。
于是在另一条赛道上,新型塑胶也层出不穷地诞生。
大家比较熟知的,可能是现在的可生物分解塑胶。
「可生物分解」的塑胶,从术语上来看,大家一般都会理解为把塑胶扔在土地里,不久后它就会自动消失。
但实际上,它仍需要足够的时间分解,这个时间可能是数百年。
这样意义其实就不大了,毕竟在某个时间段内,一切都可生物分解。
还有「可堆肥塑胶」,大家可能认为丢土里它就能消失,还能让土壤刚有营养。
但实际上,只有在特殊的堆肥机中,它才有效。而就算这种塑胶随时可用,我们也不可能把它们都丢进匹配的土里。
技术正在快速进步。
去年同样在《自然》杂誌上,已经有科学家製造出了能在几天或几週内分解的塑胶。
旧金山湾区的一家初创公司也製造出了名为Intropic Materials的「可堆肥塑胶」,能让人们在家里就能把它扔盆栽、变肥料。
这些塑胶普及后,我们就可以毫不内疚地扔掉它们。>
而前面提到的「超级塑胶」,可以应用到更多新的领域,甚至替代钢材和其他材料。
让现有的塑胶被回收、被消解,让未来的塑胶更快来、有实效,还需要一点时间和实践。
这一场塑胶战,才刚刚开始。
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