Gör plats för Kevlar, en lättare, starkare variant är här

Ultra-starka plastpolymerer

När man studerar ultrastarka material tenderar samtalet ofta att gå mot hårda metaller, från vanlig järn till mer exotiska titan, volfram eller rhenium (följ länken för en dedikerad investeringsrapport för varje).

Men detta är inte den enda formen av ultrastarkt material. Ett annat alternativ är att använda starka polymerer, särskilt för tillämpningar där vikt och flexibilitet också är viktiga, inte bara ren hårdhet och hög smältpunkt.

Ett sådant välkänt material är Kevlar. Det DuPont (DD ) ägda materialet är mest känt för sin användning i skottsäkra västar och används också för rep, industriell och akut skyddsutrustning, rymdteknik, fiberoptik och till och med friluftsprodukter för konsumenter.

Källa: DuPont

Hemligheten bakom Kevlars styrka är ett tätt nät av molekylära bindningar på ett kompakt 2D-plan, inklusive vätebindningar och många aromatiska ringar (hexagoner av kol), något liknande naturlig silke, men ännu starkare.

Källa: Wikipedia

Det finns dock ingen fysikalisk regel som säger att Kevlar är det starkaste polymermaterialet. Ett ännu starkare alternativ har upptäckts av forskare vid Duke University, Cornell University och Northwestern University.

De publicerade sina resultat i den prestigefyllda tidskriften Science under titeln “Mechanically interlocked two-dimensional polymers”¹.

En ny typ av polymerkedjebrynja

Kevlar får sin styrka från molekylära bindningar i ett 2D-plan. Men generellt har de starkaste materialen en mer komplex 3D-struktur.

Till exempel är en kedjebrynja som helhet mycket starkare än de enskilda ringarna som bildar den. Och detta är den design som forskarna försökte efterlikna, men med polymerer och på molekylär nivå.

Idén var att skapa ett ultratunt mekaniskt låst material.

Källa: Northwestern University

Uppfinna en ny tillverkningsmetod

I sig själv är idén med låsta bindningar inte ny, men den har aldrig producerats pålitligt eller i skala förrän nu. Problemet var att skapa detta mekaniska (och inte kemiska) lås var mycket svårt. De flesta material klarade helt enkelt inte av det.

Forskarna tog ett nytt tillvägagångssätt genom att använda X-formade monomerer (en monomer är den individuella byggstenen i polymerer). Varje monomer arrangerades sedan i en mycket organiserad kristallstruktur.

De fick sedan kristallen att reagera med en annan molekyl, vilket skapade bindningar inom kristallen.

Resultatet blev en komplex struktur bestående av flera lager av 2D-låsta polymerskivor. Detta skapade ”trådar” av X-formade monomerer som låstes ihop mekaniskt, men inte kemiskt. Denna blandning av mekaniskt lås och förmågan att röra sig mot varandra gjorde materialet förvånansvärt flexibelt.

“Det är likt en kedjebrynja eftersom den inte går att enkelt riva sönder eftersom varje mekanisk bindning har lite frihet att glida omkring.

Om du drar i den kan den sprida den applicerade kraften i flera riktningar. Och om du vill riva den isär måste du bryta den på många, många olika ställen.

William Dichtel, professor i kemi vid Northwestern University.

Rekordprestanda & Skalbarhet

Det nyuppfunna materialet visar upp till 100 biljoner mekaniska bindningar per kvadratcentimeter, den högsta densiteten av mekaniska bindningar som någonsin uppnåtts inom materialvetenskap. Detta resultat dubbelkontrollerades med avancerade elektronsmikroskopitekniker, vilket visuellt bekräftade den låsta strukturen.

För att testa hur effektivt detta nya material kunde vara testade forskarna dess integration med en produkt i samma familj som Kevlar: Ultem (polyeterimid), kommersialiserad av Saudi petrochemical company SABIC.

Ultem är en plastfiber med mycket stark värme- och kemikalieresistens. Den används i många sektorer som medicinteknik, elektronik, fordonsindustri, kemisk industri och rymdteknik. Den kan också användas i 3D-utskrift (additiv) tillverkning.

“ULTEM är bland de få hartser som godkänts för användning i den kommersiella rymdsektorn. Den slår jämförbara termoplaster när det gäller att motstå krypning, materialens tendens att deformeras och försämras under upprepad mekanisk belastning.

Den klarar sig också bra när den kommer i kontakt med olika bränslen, kylvätskor och smörjmedel. Dess brandmotstånd säkerställer att den uppfyller FAA-förordning 25.853 för brandfarlighet.

Sybridge

Detta första test av ett kompositmaterial bestående av 97,5 % Ultem-fiber och endast 2,5 % av den nyuppfunna 2D-polymeren visade sig radikalt starkare. Detta ökade Ultem-fibrens draghållfasthet med 45 % och dess motståndskraft mot spänning med 22 %.

En annan viktig faktor för potentiell användbarhet i tillverkning är att det nya materialet producerades i relativt stora mängder, även i ett laboratoriets experimentella miljö. Forskarna tillverkade ett halvt kilogram av det nya materialet, en mycket större mängd än tidigare polymerer med mekaniska bindningar.

Metoden de utvecklade kan användas för massproduktion, eftersom de på varandra följande stegen att skapa en kristallstruktur och sedan kemiska bindningar kan automatiseras och skalas upp.

Vad blir nästa?

Det nya materialet har bara börjat analyseras av forskarteamet.

Hittills verkar varje uppmätt parameter peka på att polymeren är extraordinärt stark, mycket mer än någon polymer som hittills uppfunnits.

“Vi har mycket mer analys att göra, men vi kan säga att den förbättrar styrkan hos dessa kompositmaterial. Nästan varje egenskap vi har mätt har varit exceptionell på något sätt.”

William Dichtel, professor i kemi vid Northwestern University.

Att testa detta material blandat i större mängder med Ultem, samt andra avancerade fibrer, kommer sannolikt att bli ett av de första testerna som utförs.

Rena fibrer tillverkade av det bör också testas och jämföras med Kevlar och Ultem. Motståndet mot verkliga förhållanden kommer också att vara värdefullt för att fullt ut utvärdera den kommersiella potentialen för denna produkt.

Tillämpningar

Denna upptäckt bygger på Northwestern Universitys arv av expertis inom molekylära bindningar. Det var där Sir Fraser Stoddart uppfann molekylskaliga mekaniska bindningar för att skapa molekylmaskiner som kan växla, rotera, kontrahera och expandera på kontrollerbara sätt.

Sir Stoddart tilldelades 2016 års Nobelpris i kemi för sin upptäckt och var mentor för William Ditchel när han var postdoktoral forskare, den ledande vetenskapsmannen bakom den nya ”kedjebrynja”-polymerupptäckten.

Ditchel anser att den nya polymeren har stor potential för lättvikts kroppsskydd och ballistiska tyger. Det är också troligt att den kan vara användbar för andra tillämpningar som för närvarande använder Kevlar och/eller Ultem.

Den extrema styrkan, flexibiliteten och de lätta egenskaperna hos polymeren kan också öppna nya tillämpningar där nuvarande polymerer inte räcker till. Till exempel kan den integreras i raketer, rymddräkter, batterier osv.

En tillämpning som dock är osannolik är 3D-utskrift, eftersom den additiva tillverkningsmetoden som delvis smälter plasten för att ge den sin slutliga form sannolikt skulle störa de 3D-mekaniska bindningarna i polymeren.

Investera i polymerer

Polymermarknaden är enorm, värd så mycket som 792  miljarder dollar år 2024, och förväntas växa med 5,4 % CAGR fram till 2034 för att nå 1,3  biljoner dollar.

Källa: Precedence Research

Du kan investera i kemiföretag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika företag kan du också titta på ETF:er som iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) eller Vanguard Materials ETF (VAW) som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på kemibranschen.

Polymerföretag

DuPont

DuPont är ett enormt kemiföretag med många viktiga varumärkta kemikalier som till exempel Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandskydd), Great Stuff (byggadhesiv) osv.

DuPont är ett gammalt företag med en komplex historia av förvärv, och mer nyligen en serie av avknoppningar.

Källa: DuPont

Dessa avknoppningar har separerat från DuPont avdelningarna för nutrition & bioscience som delvis sålts till Corteva Biosciences (CTVA ), titanprodukter som bildar Chemours Company (CC ), samt mobilitet & material.

Det kommer också att separera från sin elektronikkemikalieverksamhet i november 2025, men behålla vattensegmentet (membran och filter för vattenrening och avsaltning), i motsats till tidigare planer.

Källa: DuPont

Detta kommer att göra DuPont till ett mycket mer fokuserat företag, med kärnverksamhet inom avancerade polymerer för vattenrening & skyddsutrustning, samt avancerade material för rymdteknik, sjukvård och elfordon.

Källa: DuPont

DuPont är ett verkligt internationellt företag, med stor efterfrågan på specialkemikalier inom vattenrening och industriell tillverkning.

De sektorer som DuPonts kemikalier betjänar är också mycket varierade, inklusive byggnation, vattenrening, elektronikindustri, fordonsindustri, rymdteknik, sjukvård, grön energi och industriell produktion.

Källa: DuPont

Den starka närvaron av DuPont inom skyddsutrustning och den etablerade positionen med Kevlar-varumärket bör hjälpa dem att anpassa sig till den nya ultrastarka polymerfibern som diskuteras i denna artikel. Det är till och med sannolikt att de kan integrera sådana nya material i sin Kevlar-serie genom att skapa hybridfibrer som innehåller båda.

I vilket fall som helst, i takt med att nya teknologier växer, liksom vattenförbrukningen, ökar också efterfrågan på de avancerade kemikalier som produceras av DuPont.

Studierreferens:

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