La nueva sustancia surge como resultado de una hazaña que se pensaba era imposible: polimerizar un material en 2 dimensiones.
Utilizando un proceso de polimerización novedoso, los ingenieros químicos del MIT lograron crear un nuevo material más fuerte que el acero y tan liviano como el plástico, además puede ser fabricado de manera fácil en cantidades masivas.
El material es un polímero bidimensional que se auto-ensambla en láminas, a diferencia de todos los demás polímeros, los cuales suelen formar cadenas uni-dimensionales semejantes a <<espaguetis>>. Hasta hoy día, los científicos consideraban que se trataba de algo imposible el inducir polímeros para lograr formar láminas 2D.
Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT y uno de los autores principales del nuevo estudio, señala:
“El recién creado material podría ser utilizado como un recubrimiento liviano y duradero para piezas de automóviles o teléfonos celulares, o como material de construcción para puentes u otras estructuras.
Normalmente no solemos pensar en los plásticos como algo que se podría utilizar para sostener un edificio, pero con este material, puedes habilitar cosas nuevas.
Tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados con eso”.
Los expertos solicitaron dos patentes sobre el proceso que utilizaron en la creación del material.
Recientemente fue descrito en un artículo en Nature .
Yuwen Zeng, investigador postdoctoral del MIT, es el autor principal del estudio.
Los polímeros (que incluyen todos los plásticos) consisten en cadenas de bloques de construcción llamados monómeros. Estas cadenas al crecer van añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros pueden ser moldeados como objetos tridimensionales, por ejemplo botellas de agua, esto mediante el moldeo por inyección.
Los científicos dedicados al análisis de polímeros se han planteado durante mucho tiempo la hipótesis sobre si era posible inducir a los polímeros a crecer en una lámina bidimensional, de ser posible se deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos. A pesar de lo anterior, durante muchas décadas de trabajo en este campo los llevaron a la conclusión de que era imposible crear tales hojas. Dentro de las distintas 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 novedoso y reciente estudio, Strano y sus equipos de investigación lograron idear un nuevo procesamiento de polimerización que les permite generar una lámina bidimensional llamada poliaramida. Para los bloques de construcción de monómeros, se utiliza un compuesto llamado melamina, el cual contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. Bajo las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden crecer en 2 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.
Strano agrega:
“En lugar de hacer una molécula con forma de espagueti, podemos hacer un plano molecular con forma de lámina, donde hacemos que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones. Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución, y después de que sintetizamos el material, podemos recubrir por rotación fácilmente películas delgadas que son extraordinariamente fuertes”.
Puesto que el material se autoensambla en solución, es factible que se fabrique en cantidades grandes simplemente aumentando la cantidad de materiales de partida. Los investigadores demostraron que podían recubrir superficies con películas del material, al que llaman 2DPA-1.
Strano añade en ese sentido:
“Con este avance, tenemos moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte pero extremadamente delgado”.
Los ingenieros encontraron que el módulo elástico del nuevo material (una medida de cuánta fuerza se necesita para deformar un material) es entre 4 y 6 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 1/6 parte de la densidad del acero.
Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, que no participó en el estudio, comenta:
“La nueva técnica encarna una química muy creativa para hacer estos polímeros 2D unidos.
Un aspecto importante de estos nuevos polímeros es que son fácilmente procesables en solución, lo que facilitará numerosas aplicaciones nuevas en las que es importante una alta relación resistencia/peso, como los nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión”.
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.
Strano menciona al respecto:
“Esto podría permitirnos crear recubrimientos ultrafinos que pueden evitar por completo el paso de agua o gases.
Este tipo de revestimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero”.
Strano y sus grupo de estudiantes actualmente se encuentran analizando con más detalle la forma en que 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.
Algunos de los materiales más duros son:
1. Diamantes.
2. Seda de araña.
3. Carbono.
4. Osmio.
5. Cristal metálico.
6. Nitruro de boro de Wurtzita.
7. Lonsdaleíta.
8. Grafeno.
9 Carbino.
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