Flyt dig, Kevlar – en lettere, stærkere variant er her

Ultra-stærke plastpolymerer

When studying ultra-resistant materials, the conversation often veers toward hard metals, from ordinary jern to more exotic titanium, wolfram, or rhenium (follow the link for a dedicated investment report for each).

Men dette er ikke den eneste form for ultra-stærkt materiale. En anden mulighed er at bruge stærke polymerer, især til anvendelser hvor vægt og fleksibilitet også er vigtige, ikke kun ren hårdhed og høj smeltepunkt.

Et sådant velkendt materiale er Kevlar. Det DuPont (DD ) ejede materiale er mest berømt for sin brug i kuglesikre veste og anvendes også til reb, industrielt og nødbeskyttelsesudstyr, rumfart, fiberoptik og endda udendørs forbrugerprodukter.

Kilde: DuPont

Hemmeligheden bag Kevlars styrke er et tæt net af molekylære bindinger på en stram 2D-plan, inklusive hydrogenbindinger og mange aromatiske ringe (hexagoner lavet af carbon), noget der ligner naturlig silke, men endnu stærkere.

Kilde: Wikipedia

Der er dog ingen fysiklov, der siger, at Kevlar er det stærkeste polymermateriale. Et endnu stærkere alternativ er blevet opdaget af forskere ved Duke University, Cornell University og Northwestern University.

They released their results in the prestigious publication Science under the title “Mechanically interlocked two-dimensional polymers”¹.

En ny type polymerkæde

Kevlar får sin styrke fra molekylære bindinger i en 2D-plan. Men generelt har de stærkeste materialer en mere kompleks 3D-struktur.

For eksempel er kædeplade som helhed meget stærkere end de enkelte ringe, der udgør den. Og dette er designet, som forskerne ønskede at efterligne, men med polymerer på molekylært niveau.

Ideen var at skabe et ultratyndt mekanisk sammenkoblet materiale.

Kilde: Northwestern University

Opfindelse af en ny fremstillingsmetode

I sig selv er idéen om de sammenkoblede bindinger ikke ny, men den er aldrig blevet produceret pålideligt eller i stor skala før nu. Problemet var, at det var meget svært at skabe denne mekaniske (og ikke kemiske) sammenkobling. De fleste materialer ville simpelthen ikke gøre det.

Forskerne anvendte en ny tilgang ved at bruge X-formede monomerer (en monomer er den enkelte byggesten i polymerer). Hver monomer blev derefter arrangeret i en meget organiseret krystallinsk struktur.

Derefter fik de krystallen til at reagere med et andet molekyle, hvilket skabte bindinger inden i krystallen.

Det endelige resultat var en kompleks struktur lavet af flere lag af 2D-sammenkoblede polymerplader. Dette skabte “tråde” af X-formede monomerer, der var mekanisk sammenkoblet med hinanden, men ikke kemisk bundet. Denne blanding af mekanisk låsning og evnen til at bevæge sig mod hinanden gjorde materialet overraskende fleksibelt.

“Det er ligesom kædeplade, fordi det ikke let kan revnes, da hver af de mekaniske bindinger har en smule frihed til at glide rundt.

Hvis du trækker i det, kan det sprede den påførte kraft i flere retninger. Og hvis du vil rive det fra hinanden, skal du bryde det på mange, mange forskellige steder.”

William Dichtel, Professor of Chemistry at Northwestern University.

Rekordpræstation og skalerbarhed

Det nyopfundne materiale viser op til 100 billioner mekaniske bindinger pr. kvadratcentimeter, den højeste tæthed af mekaniske bindinger nogensinde opnået i materialvidenskab. Resultatet blev dobbelttjekket med avancerede elektronmikroskopiteknikker, som visuelt bekræftede den sammenkoblede struktur.

For at teste, hvor effektivt dette nye materiale kunne være, testede forskerne dets integration med et produkt i samme familie som Kevlar: Ultem (polyetherimid), kommercialiseret af Saudi petrochemical company SABIC.

Ultem er en plastfiber med meget stærk varme- og kemikaliebestandighed. Den bruges i mange sektorer som medicinsk udstyr, elektronik, bilindustri, kemisk industri og rumfart. Den kan også anvendes i 3D-print (additiv) fremstilling.

ULTEM er blandt de få harpiks, der er godkendt til brug i den kommercielle rumfartssektor. Den overgår sammenlignelige termoplastik, når det gælder modstand mod krybning, materialers tendens til at deformere og nedbrydes under gentagen mekanisk belastning.

Den holder også godt, når den kommer i kontakt med forskellige brændstoffer, kølemidler og smøremidler. Dens brandmodstand sikrer, at den opfylder FAA-regulering 25.853 for brandfare.

Sybridge

Denne første test af et kompositmateriale bestående af 97,5 % Ultem-fiber og kun 2,5 % af den nyopfundne 2D-polymer viste sig at være radikalt stærkere. Dette øgede Ultem-fiberens trækstyrke med 45 % og modstand mod belastning med 22 %.

En anden vigtig faktor for den potentielle anvendelighed i fremstilling er, at det nye materiale blev produceret i relativt store mængder, selv i et laboratories eksperimentelle opsætning. Forskerne fremstillede et halvt kilogram af det nye materiale, en meget større mængde end tidligere polymerer med mekaniske bindinger.

Den metode, de udviklede, kan bruges til masseproduktion, da de på hinanden følgende trin med at skabe en krystallinsk struktur og derefter kemiske bindinger kan automatiseres og skaleres op.

Hvad er næste?

Det nye materiale er kun begyndt at blive analyseret af forskerteamet.

Indtil videre ser alle målte parametre ud til at pege på, at polymeren er ekstraordinært stærk, meget mere end noget polymermateriale, der er opfundet indtil nu.

“Vi har meget mere analyse at foretage, men vi kan sige, at det forbedrer styrken af disse kompositmaterialer. Næsten alle egenskaber, vi har målt, har været enestående på en eller anden måde.”

William Dichtel, Professor of Chemistry at Northwestern University.

Test af dette materiale blandet i større mængder med Ultem samt andre avancerede fibre vil sandsynligvis være en af de første tests, der udføres.

Rene fibre fremstillet af det bør også testes og sammenlignes med Kevlar og Ultem. Modstanden over for virkelige forhold vil også være værdifuld for fuldt at vurdere det kommercielle potentiale for dette produkt.

Anvendelser

Denne opdagelse bygger på Northwestern Universitys arv inden for molekylære bindinger. Det var der, Sir Fraser Stoddart opfandt molekylære mekaniske bindinger for at skabe molekylmaskiner, der kan skifte, rotere, trække sig sammen og udvide sig på kontrollerbare måder.

Sir Stoddart blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2016 for sin opdagelse og var mentor for William Ditchel, da han var postdoktor, den ledende videnskabsmand bag den nye “chainmail”-polymeropdagelse.

Ditchel mener, at den nye polymer har stort potentiale for letvægts kropsrustning og ballistiske stoffer. Det er også sandsynligt, at den kan være nyttig for andre anvendelser, der i øjeblikket bruger Kevlar og/eller Ultem.

Den ekstreme styrke, fleksibilitet og letvægtsegenskaber ved polymeren kan også åbne nye anvendelser, hvor nuværende polymerer ikke er tilstrækkelige. For eksempel kan den integreres i raketter, rumdragter, batterier osv.

En anvendelse, der dog er usandsynlig, er 3D-print, da den additive fremstillingsmetode, der delvist smelter plasten for at give den sin endelige form, sandsynligvis vil forstyrre de 3D-mekaniske bindinger i polymeren.

Investering i polymerer

Polymermarkedet er enormt, med en værdi på op til 792 mia. $ i 2024, og forventes at vokse med 5,4 % CAGR indtil 2034 for at nå 1,3 bio. $.

Kilde: Precedence Research

Du kan investere i kemiske virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke virksomheder, kan du også kigge på ETF’er som iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) eller Vanguard Materials ETF (VAW), som vil give en mere diversificeret eksponering for at drage fordel af den kemiske industri.

Polymervirksomhed

DuPont

DuPont er en enorm kemisk virksomhed med mange vigtige mærkevarer inden for kemikalier såsom for eksempel Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandbeskyttelse), Great Stuff (bygningsklæbemiddel) osv.

DuPont er en gammel virksomhed med en kompleks historie af opkøb, og for nylig en række spinoffs.

Kilde: DuPont

Disse spinoffs har adskilt fra DuPont afdelingerne for ernæring & bioscience, delvist solgt til Corteva Biosciences (CTVA ), titaniumprodukter, der danner Chemours Company (CC ), samt mobilitet & material.

Det vil også adskille sig fra sin elektronik-chemikalieforretning i november 2025, men beholde vandsegmentet (membraner og filtre til vandrensning og afsaltning), i modsætning til tidligere planer.

Kilde: DuPont

Dette vil efterlade DuPont som en meget mere fokuseret virksomhed, med en kerneaktivitet inden for avancerede polymerer til vandrensning & beskyttelsesudstyr, samt avancerede materialer til rumfart, sundhedspleje og elbiler.

Kilde: DuPont

DuPont er en virkelig international virksomhed med stor efterspørgsel efter specialkemikalier inden for vandrensning og industriel produktion.

De sektorer, som DuPont-kemikalier betjener, er også meget varierede, herunder byggeri, vandrensning, elektronikindustri, bilindustri, rumfart, sundhedspleje, grøn energi og industriel produktion.

Kilde: DuPont

Den stærke tilstedeværelse af DuPont inden for beskyttelsesudstyr og den etablerede position med Kevlar-mærket bør hjælpe virksomheden med at tilpasse sig den kommende nye ultra-resistente polymerfiber som den, der diskuteres i denne artikel. Det er endda sandsynligt, at den kan integrere sådanne nye materialer i sin Kevlar-linje ved at skabe hybridfibre, der indeholder begge.

Under alle omstændigheder, efterhånden som nye teknologier vokser, ligesom vandforbruget, vokser også efterspørgslen efter de avancerede kemikalier, der produceres af DuPont.

Studierreferencer:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) Mechanically interlocked two-dimensional polymers.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}