Mae'r deunydd newydd yn bolymer dau ddimensiwn, wedi'i wneud o melamin , sy'n hunan-ymgynnull yn ddalennau, yn wahanol i bob polymer arall, sy'n ffurfio cadwyni un dimensiwn, tebyg i sbageti. Hyd yn hyn, roedd gwyddonwyr wedi credu ei bod yn amhosibl ysgogi polymerau i ffurfio dalennau 2D.
Gellid defnyddio deunydd o'r fath fel haen ysgafn, wydn ar gyfer rhannau ceir neu ffonau symudol, neu fel deunydd adeiladu ar gyfer pontydd neu strwythurau eraill, meddai Michael Strano, Athro Peirianneg Gemegol Carbon P. Dubbs yn MIT ac uwch awdur yr astudiaeth newydd.
“Dydyn ni ddim fel arfer yn meddwl am blastigion fel rhywbeth y gallech chi ei ddefnyddio i gynnal adeilad, ond gyda’r deunydd hwn, gallwch chi alluogi pethau newydd,” meddai. “Mae ganddo briodweddau anarferol iawn ac rydyn ni’n gyffrous iawn am hynny.”
Mae'r ymchwilwyr wedi ffeilio am ddau batent ar y broses a ddefnyddiwyd ganddynt i gynhyrchu'r deunydd, ac maen nhw'n ei ddisgrifio mewn papur sy'n ymddangos heddiw yn Nature . Yuwen Zeng, raddedig ôl-ddoethurol MIT, yw prif awdur yr astudiaeth.
Dau ddimensiwn
Mae polymerau, sy'n cynnwys pob plastig, yn cynnwys cadwyni o flociau adeiladu o'r enw monomerau. Mae'r cadwyni hyn yn tyfu trwy ychwanegu moleciwlau newydd at eu pennau. Ar ôl eu ffurfio, gellir siapio polymerau yn wrthrychau tri dimensiwn, fel poteli dŵr, gan ddefnyddio mowldio chwistrellu.
Mae gwyddonwyr polymerau wedi bod yn damcaniaethu ers tro, pe bai modd ysgogi polymerau i dyfu'n ddalen ddau ddimensiwn, y dylent ffurfio deunyddiau hynod o gryf ac ysgafn. Fodd bynnag, arweiniodd degawdau lawer o waith yn y maes hwn at y casgliad ei bod yn amhosibl creu dalennau o'r fath. Un rheswm am hyn oedd, os yw un monomer yn unig yn cylchdroi i fyny neu i lawr, allan o blân y ddalen sy'n tyfu, bydd y deunydd yn dechrau ehangu mewn tri dimensiwn a bydd y strwythur tebyg i ddalen yn cael ei golli.
Fodd bynnag, yn yr astudiaeth newydd, lluniodd Strano a'i gydweithwyr broses polymerization newydd sy'n caniatáu iddynt gynhyrchu dalen ddau ddimensiwn o'r enw polyaramid. Ar gyfer y blociau adeiladu monomer, maent yn defnyddio cyfansoddyn o'r enw melamin, sy'n cynnwys cylch o atomau carbon a nitrogen. O dan yr amodau cywir, gall y monomerau hyn dyfu mewn dau ddimensiwn, gan ffurfio disgiau. Mae'r disgiau hyn yn pentyrru ar ben ei gilydd, wedi'u dal ynghyd gan fondiau hydrogen rhwng yr haenau, sy'n gwneud y strwythur yn sefydlog ac yn gryf iawn.
“Yn lle gwneud moleciwl tebyg i sbageti, gallwn wneud plân moleciwlaidd tebyg i ddalen, lle rydym yn cael moleciwlau i gysylltu eu hunain â'i gilydd mewn dau ddimensiwn,” meddai Strano. “Mae'r mecanwaith hwn yn digwydd yn ddigymell mewn toddiant, ac ar ôl i ni syntheseiddio'r deunydd, gallwn yn hawdd nyddu ffilmiau tenau sy'n hynod o gryf.”
Gan fod y deunydd yn hunan-ymgynnull mewn toddiant, gellir ei wneud mewn meintiau mawr trwy gynyddu maint y deunyddiau cychwynnol yn unig. Dangosodd yr ymchwilwyr y gallent orchuddio arwynebau â ffilmiau o'r deunydd, y maent yn eu galw'n 2DPA-1.
"Gyda'r datblygiad hwn, mae gennym foleciwlau planar a fydd yn llawer haws i'w ffurfio'n ddeunydd cryf iawn, ond hynod denau," meddai Strano.
Ysgafn ond cryf
Canfu'r ymchwilwyr fod modwlws elastig y deunydd newydd — mesur o faint o rym sydd ei angen i anffurfio deunydd — rhwng pedair a chwe gwaith yn fwy na modwlws gwydr gwrth-fwled. Fe wnaethant hefyd ganfod bod ei gryfder cynnyrch, neu faint o rym sydd ei angen i dorri'r deunydd, ddwywaith cryfder dur, er mai dim ond tua chweched rhan o ddwysedd dur sydd gan y deunydd.
Nodwedd allweddol arall o 2DPA-1 yw ei fod yn anhydraidd i nwyon. Er bod polymerau eraill wedi'u gwneud o gadwyni coiliog gyda bylchau sy'n caniatáu i nwyon dreiddio drwodd, mae'r deunydd newydd wedi'i wneud o monomerau sy'n cloi gyda'i gilydd fel LEGOs, ac ni all moleciwlau fynd rhyngddynt.
“Gallai hyn ein galluogi i greu haenau ultra-denau a all atal dŵr neu nwyon rhag mynd drwodd yn llwyr,” meddai Strano. “Gellid defnyddio’r math hwn o haen rhwystr i amddiffyn metel mewn ceir a cherbydau eraill, neu strwythurau dur.”
Mae Strano a'i fyfyrwyr bellach yn astudio'n fanylach sut mae'r polymer penodol hwn yn gallu ffurfio dalennau 2D, ac maen nhw'n arbrofi gyda newid ei gyfansoddiad moleciwlaidd i greu mathau eraill o ddeunyddiau newydd.
Ariannwyd yr ymchwil gan y Ganolfan ar gyfer Cludiant Nanohylifyddol Gwell (CENT), Canolfan Ymchwil Ffiniau Ynni a noddwyd gan Swyddfa Gwyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau, a Labordy Ymchwil y Fyddin.
Cyswllt Newyddion:
E-bost: [e-bost wedi'i warchod]
Ffôn: + 86-28-8411-1861