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, y puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.
El nuevo material es un polímero bidimensional que se autoensambla en láminas, a diferencia de todos los demás polímeros, que forman cadenas unidimensionales tipo espagueti. Hasta ahora, los científicos habían creído que era imposible inducir polímeros para formar láminas 2D.
Tal material podría usarse como un recubrimiento liviano y duradero para piezas de automóviles o teléfonos celulares, o como material de construcción para puentes u otras estructuras, dice Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT y seniorautor del 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 emocionadossobre eso."
Los investigadores solicitaron dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo que aparece hoy en Naturaleza. 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 agregando nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros pueden moldearse en objetos tridimensionales, como botellas de agua, usando 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 hoja bidimensional, deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos. Sin embargo, muchas décadas de trabajo en este campo llevaron a la conclusión de que era imposible creartales 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 monómero, usan un compuesto llamado melamina, que contiene unanillo 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 hoja, donde hacemos que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones", dice Strano. "Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución, y después de sintetizarel material, podemos recubrir por rotación fácilmente películas delgadas que son extraordinariamente fuertes".
Debido a 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.
Ligero pero fuerte
Los investigadores encontraron que el módulo elástico del nuevo material, una medida de la fuerza que se necesita para deformar un material, es entre cuatro y seis veces mayor que el del vidrio a prueba de balas. También encontraron que su límite elástico, o cómola fuerza que se necesita para romper el material es el doble que la del acero, aunque el material tiene solo alrededor de un sexto de la densidad del acero.
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 puedeninterponerse entre ellos.
"Esto podría permitirnos crear recubrimientos ultrafinos que pueden evitar por completo el paso del agua o los gases", dice Strano. "Este tipo de recubrimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero".
Strano y sus alumnos 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 de Nanofluidos Mejorados CENT, por sus siglas en inglés, 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.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts. Original escrito por Anne Trafton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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