Новости химической науки > Полистирол становится кристаллическим

Химики из Японии и Италии создали полимерный материал, обладающий кристаллической структурой. Новый пластик, высокая степень кристалличности которого обеспечивается поперечными сшивками, связывающими отдельные полимерные нити, отличается высокой механической прочностью, которая позволит применять его в целом ряде практических приложений.

Структура волокнистого материала оказывает огромное влияние на его свойства. Например, кевлар обладает высокой прочностью на разрыв благодаря регулярному расположению отдельных полимерных нитей, связанных друг с другом большим количеством водородных связей – такой мотив структуры обеспечивает высокую степень кристалличности. Эти обстоятельства побуждают химиков модифицировать свойства полимеров, которые в обычных условиях не кристаллизуются.

В пористый координационный полимер первоначально вводятся фрагменты, обеспечивающие поперечную сшивку (красные), затем в систему добавляют мономер (зеленый), что в конечном итоге приводит к образованию высокоупорядоченной конечной структуры. (Рисунок из Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1576)

Одним из способов такой настройки материалов является упорядочивание расположения жидкокристаллических полимеров просто за счет поверхности, на которую они наносятся; π-сопряженные полимеры могут быть упорядочены за счет введения в систему молекул, направляющих их расположение. Природный рецепт в повышении степени кристалличности полимеров реализован в молекулах ДНК и полисахаридов – там спирализация и суперспирализация структур обеспечивается сеткой водородных связей. Однако проблема заключается в том, что эти подходы либо слишком специфичны, либор ведут к получению материала, который легко разрушается под действием обычных органических растворителях и разлагающихся до достижения температуры плавления.

Такаси Уэмура (Takashi Uemura) из Университета Киото совместно с коллегами из Университета Милана разработал принципиально новый метод для кристаллизации полимерных материалов. Исследователи внедрили структурные единицы, отвечающие за поперечные сшивки – фрагменты 2,5-дифинилтерефталата в стенки пористого координационного полимера, после чего в расположенные параллельно поры полимера вводили мономер (в качестве модели в пилотских экспериментах был выбран стирол). Затем инициировалась полимеризация, в которой участвовали и мономеры и фрагменты, отвечающие за поперечные сшивки, происходило образование полимера, после чего матрицу пористого координационного полимера растворяли в кислом растворе ЭДТА. В результате всех операций исследователям удавалось получить поперечно сшитый полистирол с высокой степенью кристалличности.

Плотность нового материала составляет 1.13 г/см³, что на 8% выше плотности обычного полистирола, равной примерно 1.05 г/см³. Новый высококристаллический полистирол устойчив к действию органических растворителей и выдерживает нагревание до 200°C. Уэмура уверен, что новый материал будет отличаться повышенной механической прочностью и оптической анизотропностью.

Специалист по химии высокомолекулярных соединений Жан-Франсуа Лютц (Jean-François Lutz) говорит о работе Уэмуры как прекрасном примере направленного синтеза полимеров. Он добавляет, что природные полимеры очень часто формируют регулярные высококристаллические структуры за счет образования в определенном окружении, однако для искусственных полимерных материалов такая стратегия пока еще не отработана. Лютц полагает, что применение пористого координационного полимера в качестве шаблона для синтеза является первым шагом в разработке принципиально новых подходов для получения синтетических макромолекул с высокой степенью упорядоченности.

Источник: Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1576

метки статьи: #нанотехнологии, #новые материалы, #химия полимеров, #элементоорганическая химия