《自然》：麻省理工造出革命性材料，比塑料还轻，比钢还要硬

想象这样一种材料，比钢还硬一倍，但重量却只有钢的六分之一，并且还可以很容易地大规模生产出来。你一定会说，这当然是一种革命性的材料，可以彻底改变世界，然而这只是一种理想的材料，现实中完全不可能。

但你可能要大跌眼镜了，《自然》杂志2月2日发表了一项研究，美国麻省理工学院的研究人员已经制造出了这种“不可能”的材料，并且申请了两项专利。

这项研究来自麻省理工学院化学工程教授迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano） 领导的团队，第一作者是博士后曾玉伟（Yuwen Zeng）。

这种材料被命名为2DPA-1，是一种二维聚合物，可以自我组装成片状，从而形成了极其坚固的，比钢还强，和塑料一样轻的轻质材料。

聚合物也就是我们所称的塑料、塑胶等高分子材料，这些材料具有非常大的分子量，分子间由共价键将单体连接在一起，通过在末端添加新的分子而成长。一旦形成，聚合物可以通过注塑成型制造成三维物体，例如水瓶等。

此前聚合物被认为只能形成一维的，像意大利面条一样的链状结构，但高分子科学家也一直设想，能够通过某种方式诱导其生长为二维片材，从而带来强度上的极大提高，但密度仍然保持聚合物的低密度。

然而研究进行了几十年，所有的努力都失败了，因为科学家们发现，只要有一个单体向上或向下旋转，离开了生长片材的平面，材料就会在三维空间膨胀，从而导致片状结构的消失。科学家们因而得出一个令人无奈的结论，这种材料是不可能实现的。

麻省理工的研究人员使用了一种叫做三聚氰胺的化合物——没错，就是前些年牛奶里添加的那种臭名昭著的害人物质，这种物质含有碳和氮环的结构。

科学家们发现，在适当的条件下，这些单体可以在二维上生长，形成圆盘，相互堆叠，由各层之间的氢键固定在一起，结构变得非常稳定和牢固，从而生成了一种被称为聚酰胺的二维片材。

斯特拉诺形容说，他们不是在做一个意大利面条般的分子，而是片状的分子平面，让分子在二维上把自己勾在一起，这种机制可以在溶液中自发地发生，从而很容易地旋涂薄膜，而这种薄膜特别的坚固。正是因为它可以在溶液中自组装，因而可以通过简单地增加起始材料的数量，大量制造非常坚固但极薄的材料。

科学家们的研究表明，这种材料的弹性模量比防弹玻璃大4到6倍，其屈服强度，也就是打破材料所需的力量，是钢材的两倍，但密度只有钢材的六分之一。

2DPA-1还有一个特点，那就是聚合物由单体制成，像乐高积木一样锁在一起，气体无法渗透，因而可以制成超薄的涂层，完全阻止水和气体通过。

科学家们认为，这种高强度的轻质材料，可用于手机、汽车零件的轻质耐用涂层，也可用于桥梁及其他结构作为建筑材料。当然，更广泛的用途将在量产后得到大量开发，毕竟一种比钢还强一倍，但重量只有六分之一，还很容易制造的材料，其未来是不可限量的。

这项研究发表在2月2日《自然》杂志上，标题是：

Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material