想象這樣一種材料，比鋼還硬一倍，但重量卻只有鋼的六分之一，並且還可以很容易地大規模生產出來。你一定會說，這當然是一種革命性的材料，可以徹底改變世界，然而這只是一種理想的材料，現實中完全不可能。
但你可能要大跌眼鏡了，《自然》雜誌2月2日發表了一項研究，美國麻省理工學院的研究人員已經制造出了這種“不可能”的材料，並且申請了兩項專利。
這項研究來自麻省理工學院化學工程教授邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano） 領導的團隊，第一作者是博士後曾玉偉（Yuwen Zeng）。
這種材料被命名為2DPA-1，是一種二維聚合物，可以自我組裝成片狀，從而形成了極其堅固的，比鋼還強，和塑膠一樣輕的輕質材料。
聚合物也就是我們所稱的塑膠、塑膠等高分子材料，這些材料具有非常大的分子量，分子間由共價鍵將單體連線在一起，透過在末端新增新的分子而成長。一旦形成，聚合物可以透過注塑成型製造成三維物體，例如水瓶等。
此前聚合物被認為只能形成一維的，像義大利麵條一樣的鏈狀結構，但高分子科學家也一直設想，能夠透過某種方式誘導其生長為二維片材，從而帶來強度上的極大提高，但密度仍然保持聚合物的低密度。
然而研究進行了幾十年，所有的努力都失敗了，因為科學家們發現，只要有一個單體向上或向下旋轉，離開了生長片材的平面，材料就會在三維空間膨脹，從而導致片狀結構的消失。科學家們因而得出一個令人無奈的結論，這種材料是不可能實現的。
麻省理工的研究人員使用了一種叫做三聚氰胺的化合物——沒錯，就是前些年牛奶裡新增的那種臭名昭著的害人物質，這種物質含有碳和氮環的結構。
科學家們發現，在適當的條件下，這些單體可以在二維上生長，形成圓盤，相互堆疊，由各層之間的氫鍵固定在一起，結構變得非常穩定和牢固，從而生成了一種被稱為聚醯胺的二維片材。
斯特拉諾形容說，他們不是在做一個義大利麵條般的分子，而是片狀的分子平面，讓分子在二維上把自己勾在一起，這種機制可以在溶液中自發地發生，從而很容易地旋塗薄膜，而這種薄膜特別的堅固。正是因為它可以在溶液中自組裝，因而可以透過簡單地增加起始材料的數量，大量製造非常堅固但極薄的材料。
科學家們的研究表明，這種材料的彈性模量比防彈玻璃大4到6倍，其屈服強度，也就是打破材料所需的力量，是鋼材的兩倍，但密度只有鋼材的六分之一。
2DPA-1還有一個特點，那就是聚合物由單體制成，像樂高積木一樣鎖在一起，氣體無法滲透，因而可以製成超薄的塗層，完全阻止水和氣體透過。
科學家們認為，這種高強度的輕質材料，可用於手機、汽車零件的輕質耐用塗層，也可用於橋樑及其他結構作為建築材料。當然，更廣泛的用途將在量產後得到大量開發，畢竟一種比鋼還強一倍，但重量只有六分之一，還很容易製造的材料，其未來是不可限量的。
這項研究發表在2月2日《自然》雜誌上，標題是：
Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material
