2D-polymeer: plastic dat plat blijft in plaats van een kluwen te vormen
Een gewoon plastic bestaat uit lange, kronkelende ketens van moleculen die door elkaar heen liggen, ongeveer zoals een bord spaghetti. Een 2D-polymeer is anders: de bouwstenen koppelen zich niet tot een enkele draad, maar aan meerdere kanten tegelijk, waardoor er een vlak, twee-dimensionaal net ontstaat dat maar één of enkele moleculen dik is. Denk aan het verschil tussen een stuk touw (1D, een keten) en een stuk kippengaas (2D, een vlak netwerk): beide zijn gemaakt van draad, maar de manier waarop de draden aan elkaar zitten bepaalt vorm en eigenschappen volledig.
Het bekendste voorbeeld van een 2D-materiaal is grafeen, een laag koolstofatomen van één atoom dik. Een 2D-polymeer bouwt op hetzelfde idee voort, maar dan met grotere, door mensen ontworpen organische moleculen in plaats van losse koolstofatomen. Dat maakt het mogelijk om vooraf te kiezen welke eigenschappen het materiaal moet krijgen: extreem sterk, ondoordringbaar voor gassen, of juist chemisch reactief. Al decennialang proberen scheikundigen zulke vlakke moleculaire netwerken te maken, maar het bleek verrassend lastig om moleculen dwingen om écht plat te groeien in plaats van een kluwen te vormen.
Wat is het precies?
Een polymeer ontstaat wanneer kleine moleculen, monomeren genoemd, zich via chemische bindingen aan elkaar rijgen. Bij een normaal polymeer heeft elk monomeer maar twee aanknopingspunten, zodat er automatisch een lange, lineaire keten ontstaat die vervolgens vanzelf in een wanordelijke driedimensionale bal opkrult.
Voor een 2D-polymeer kiest men monomeren met drie of meer aanknopingspunten die bovendien symmetrisch verdeeld zijn, bijvoorbeeld in een driehoeksvorm. Elk monomeer koppelt dan niet aan één, maar aan meerdere buren, in alle richtingen binnen hetzelfde vlak. Zo ontstaat een repeterend, honingraatachtig patroon dat zich in de breedte en lengte uitbreidt, maar niet in de dikte: één laag molecuul dik, of soms een stapeling van een klein aantal van zulke lagen.
De grote uitdaging is foutcorrectie. Als tijdens de groei ergens een verkeerde binding ontstaat, plooit het net zich al snel drie-dimensionaal, net als een stuk kreukelig kippengaas. Onderzoekers lossen dit op verschillende manieren op: door de reactie omkeerbaar te maken zodat foute bindingen zich vanzelf herstellen, door de monomeren eerst in een geordend kristal te stapelen en ze daarna pas vast te binden, of door slimme moleculaire vormen te ontwerpen die als vanzelf in het platte vlak passen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van 2D-polymeren zit in de combinatie van lichtgewicht en sterkte. Omdat de bindingen in alle richtingen binnen het vlak lopen, kan zo'n net in theorie net zo stijf en sterk zijn als grafeen, maar dan gemaakt van goedkopere, chemisch veel breder inzetbare bouwstenen dan alleen koolstof.
Een tweede doel is ondoordringbaarheid. Een dicht, defectvrij molecuulnet laat nauwelijks gasmoleculen door, wat interessant is voor ultradunne barrièrecoatings, bijvoorbeeld om verpakkingen, elektronica of membranen tegen zuurstof en waterdamp te beschermen.
Daarnaast willen scheikundigen greep krijgen op materiaaleigenschappen op moleculair niveau: door het type monomeer te veranderen, kun je in principe een 2D-polymeer ontwerpen dat elektriciteit geleidt, licht absorbeert, of chemische stoffen uit lucht of water filtert. Dat maakt het veld ook interessant voor gebieden als waterzuivering, gasopslag en katalyse (het versnellen van chemische reacties met een hulpstof).
Voorbeelden uit de praktijk
2DPA-1 (MIT, 2022): De onderzoeksgroep van Michael Strano aan het Massachusetts Institute of Technology publiceerde in Nature een 2D-polyaramide, een polymeer verwant aan het kevlar-achtige materiaal aramide. Door monomeren te gebruiken die zichzelf via waterstofbruggen ordenen voordat de definitieve, onomkeerbare chemische binding wordt gelegd, groeide het net vrijwel foutloos plat. De onderzoekers rapporteerden een elastische stijfheid en een breeksterkte die, gewicht voor gewicht, die van staal ver overtreffen, met een dichtheid die veel lager ligt. Exacte cijfers verschillen enigszins tussen bronnen en zijn afkomstig van laboratoriumtests op kleine monsters, dus hoe dit zich vertaalt naar grootschalige toepassingen staat nog niet vast.
Covalent organic frameworks (Universiteit van Californië, Berkeley, 2005): De groep van scheikundige Omar Yaghi rapporteerde de eerste covalent-organic frameworks (COF's), poreuze kristallijne netwerken die met 2D-polymeren verwant zijn maar bewust vol kleine poriën zitten. Deze poreuze variant wordt vooral onderzocht voor gasopslag (bijvoorbeeld waterstof of CO2) en als filter- of katalysemateriaal, eerder dan voor mechanische sterkte.
Fotogepolymeriseerde 2D-kristallen (ETH Zürich, begin jaren 2010): De groep van Dieter Schlüter en Junji Sakamoto liet monomeren eerst een geordend, gestapeld kristal vormen en bestraalde dat vervolgens met licht om de moleculen binnen elke laag aan elkaar te binden, zonder de lagen onderling te verknopen. Zo konden ze een enkele laag als een soort molecuulfolie van het kristal afpellen, vergelijkbaar met hoe grafeen van grafiet wordt losgemaakt.
Vervolgonderzoek op 2DPA-1: Na de publicatie in 2022 zijn diverse groepen, waaronder die van Strano zelf, verder gegaan met het testen van dunne coatings en composietfolies op basis van dit materiaal, en met het verkennen van varianten met andere monomeren. Dit werk bevindt zich nog in een vroege, experimentele fase.
Hoe ver is de techniek?
2D-polymeren zijn op dit moment vooral een onderwerp van fundamenteel laboratoriumonderzoek, niet van commerciële productie. De synthese gebeurt doorgaans op kleine schaal, in oplossing, en levert monsters op van hooguit enkele centimeters of minder, met een dikte van één tot enkele moleculaire lagen.
De grootste technische obstakels zijn opschaling en reproduceerbaarheid: het foutvrij laten groeien van een groot, defectarm vlak blijft lastiger naarmate het oppervlak toeneemt, en verschillende laboratoria melden wisselende resultaten bij het namaken van elkaars synthesemethoden. Ook is het nog niet duidelijk hoe je zulke ultradunne netwerken betrouwbaar op een drager kunt aanbrengen of tot een bruikbaar, hanteerbaar product kunt verwerken zonder de eigenschappen te verliezen.
Het tempo van vooruitgang is de afgelopen tien jaar duidelijk versneld, mede dankzij de doorbraak van 2DPA-1 in 2022, die liet zien dat foutcorrectie tijdens de groei wél haalbaar is. Toch zijn concrete producten op basis van 2D-polymeren, zoals commerciële coatings of composietmaterialen, op dit moment nog niet op de markt; schattingen over wanneer dat wel zo zou kunnen zijn, zijn met de nodige onzekerheid omgeven.
Wie werken eraan?
Het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten, met de onderzoeksgroep van Michael Strano, geldt momenteel als een van de meest zichtbare spelers dankzij het 2DPA-1-werk. De Universiteit van Californië in Berkeley, met de groep van Omar Yaghi, is toonaangevend op het gebied van verwante poreuze covalent-organic frameworks.
In Europa heeft de ETH Zürich in Zwitserland, met name via het werk van Dieter Schlüter en medewerkers, een belangrijke bijdrage geleverd aan vroege methoden om enkellaagse, kristallijne 2D-polymeren te maken. Daarnaast zijn diverse universiteiten in China, Japan en elders in Europa actief op het bredere terrein van 2D-materialen en covalent-organic frameworks, vaak met een focus op toepassingen in gasscheiding, katalyse en energieopslag. Het onderzoek is grotendeels academisch van aard; grote chemie- of materiaalbedrijven zijn tot dusver vooral als toekomstige afnemer in beeld, niet als actieve ontwikkelaar.