Este nuevo material es el resultado de una hazaña que se creía imposible hasta ahora: polimerizar un material en dos dimensiones.
Usando un proceso de polimerización novedoso, los ingenieros químicos del MIT han creado un nuevo material que es más fuerte que el acero y tan liviano como el plástico. Puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.
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Este material es un polímero bidimensional que se autoensambla en láminas. Los demás polímeros forman cadenas unidimensionales similares a espaguetis. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir polímeros para formar láminas 2D.
Tal material podría usarse como un recubrimiento liviano y duradero. Podría usarse en piezas de automóviles, teléfonos, o material de construcción, dice Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal de el nuevo estudio.
“Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que podrías usar para sostener un edificio, pero con este material, puedes habilitar cosas nuevas”, dice. «Tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados con eso«.
Los investigadores solicitaron dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo de Nature . El postdoctorado del MIT, Yuwen Zeng, es el autor principal del estudio.
Dos dimensiones
Los polímeros, que incluyen todos los plásticos, consisten en cadenas de bloques de construcción llamados monómeros. Estas cadenas crecen añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros se pueden moldear en objetos tridimensionales, como botellas de agua, mediante moldeo por inyección.
Los científicos de polímeros han planteado durante mucho tiempo la hipótesis de que si se pudiera inducir a los polímeros a crecer en una lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos. Sin embargo, muchas décadas de trabajo llevaron a la conclusión de que era imposible crear tales hojas. Una de las razones de esto fue que si solo un monómero gira hacia arriba o hacia abajo, fuera del plano de la hoja en crecimiento, el material comenzará a expandirse en tres dimensiones y se perderá la estructura similar a una hoja.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Strano y sus colegas idearon un nuevo proceso de polimerización que les permite generar una hoja bidimensional llamada poliaramida. Para los bloques de construcción de monómeros, utilizan un compuesto llamado melamina, que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. Bajo las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden crecer en dos dimensiones, formando discos. Estos discos se apilan uno encima del otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.
“En lugar de hacer una molécula con forma de espagueti, podemos hacer un plano molecular con forma de lámina. Hacemos que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones”, dice Strano. “Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución, y después de que sintetizamos el material, podemos recubrir por rotación fácilmente películas delgadas que son extraordinariamente fuertes”.
Ya que el material se autoensambla en solución, se puede fabricar en grandes cantidades simplemente aumentando la cantidad de materiales de partida. Los investigadores demostraron que podían recubrir superficies con películas del material, al que llaman 2DPA-1.
“Con este avance, tenemos moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte pero extremadamente delgado”, dice Strano.
Material Ligero pero fuerte
Los investigadores encontraron que el módulo elástico del nuevo material, una medida de cuánta fuerza se necesita para deformar un material, es entre cuatro y seis veces mayor que el del vidrio a prueba de balas. También descubrieron que su límite elástico, o la fuerza necesaria para romper el material, es el doble que el del acero, aunque el material tiene solo una sexta parte de la densidad del acero.
Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, dice que la nueva técnica «incorpora una química muy creativa para hacer estos polímeros 2D unidos«.
«Un aspecto importante de estos nuevos polímeros es que son fácilmente procesables en solución. Esto facilitará numerosas aplicaciones nuevas en las que es importante una alta relación resistencia/peso, como los nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión«, dice Tirrell, que no participó en el estudio.
Otra característica clave de 2DPA-1 es que es impermeable a los gases. Mientras que otros polímeros están hechos de cadenas enrolladas con espacios que permiten que los gases se filtren, el nuevo material está hecho de monómeros que se unen como LEGO, y las moléculas no pueden interponerse entre ellos.
«Esto podría permitirnos crear recubrimientos ultrafinos que pueden evitar por completo el paso de agua o gases«, dice Strano. “Este tipo de revestimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero”.
Strano y sus estudiantes ahora están estudiando con más detalle cómo este polímero en particular puede formar láminas 2D, y están experimentando con el cambio de su composición molecular para crear otros tipos de materiales novedosos.
La investigación fue financiada por el Centro para el Transporte Nanofluídico Mejorado (CENT), un Centro de Investigación de la Frontera Energética patrocinado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y el Laboratorio de Investigación del Ejército.
