La nueva sustancia es el resultado de una hazaña que se creía imposible: polimerizar un material en dos dimensiones.
Mediante un novedoso proceso de polimerización, los ingenieros químicos del MIT han creado un nuevo material más resistente que el acero y tan ligero como el plástico, que 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 similares a espaguetis. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir a los polímeros a formar láminas bidimensionales.
Este material podría utilizarse como revestimiento ligero y duradero para piezas de automóviles o teléfonos móviles, o como material de construcción para puentes u otras estructuras, afirma Michael Strano, catedrático de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs del MIT y autor principal del nuevo estudio.
"No solemos pensar en los plásticos como algo que se pueda utilizar para sostener un edificio, pero con este material se pueden hacer cosas nuevas", dice. "Tiene propiedades muy inusuales y eso nos entusiasma".
Los investigadores han solicitado dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo que aparece hoy en Nature. El postdoctorado del MIT Yuwen Zeng es el autor principal del estudio.
Dos dimensiones Los polímeros, que incluyen todos los plásticos, están formados por cadenas de bloques de construcción llamados monómeros. Estas cadenas crecen añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros pueden convertirse en objetos tridimensionales, como botellas de agua, mediante moldeo por inyección.
Los científicos especializados en polímeros llevan mucho tiempo planteando la hipótesis de que, si se pudiera inducir el crecimiento de los polímeros en una lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente resistentes y ligeros. Sin embargo, muchas décadas de trabajo en este campo llevaron a la conclusión de que era imposible crear tales láminas. Una de las razones era que si un solo monómero gira hacia arriba o hacia abajo, fuera del plano de la lámina en crecimiento, el material comenzará a expandirse en tres dimensiones y se perderá la estructura en forma de lámina.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Strano y sus colegas idearon un nuevo proceso de polimerización que les permite generar una lámina bidimensional llamada poliamida. Para los bloques de construcción de monómeros, utilizan un compuesto llamado melamina, que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. En las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden crecer en dos dimensiones, formando discos. Estos discos se apilan unos sobre otros, manteniéndose 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 parecida a un espagueti, podemos hacer un plano molecular parecido a una hoja, en el que conseguimos que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones", dice Strano. "Este mecanismo se produce espontáneamente en la solución, y después de sintetizar el material, podemos recubrir con facilidad películas delgadas que son extraordinariamente fuertes".
Como el material se autoensambla en solución, puede fabricarse en grandes cantidades con sólo aumentar la cantidad de los 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 van a ser mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte, pero extremadamente fino", dice Strano.
Ligero pero fuerte Los investigadores descubrieron 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 cristal antibalas. También descubrieron que su límite elástico, es decir, la fuerza que se necesita para romper el material, es dos veces mayor que la del acero, a pesar de que el material sólo tiene 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, lo que facilitará numerosas aplicaciones nuevas en las que es importante una alta relación resistencia-peso, como nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión", dice Tirrell, que no participó en el estudio.
Otra característica clave del 2DPA-1 es que es impermeable a los gases. Mientras que otros polímeros están hechos de cadenas enrolladas con huecos que permiten que los gases se filtren, el nuevo material está hecho de monómeros que se unen como LEGOs, y las moléculas no pueden pasar entre ellos.
"Esto podría permitirnos crear revestimientos ultrafinos que impidan completamente el paso del agua o los gases", afirma Strano. "Este tipo de revestimiento de barrera podría utilizarse para proteger el metal de los coches y otros vehículos, o las estructuras de acero".
Strano y sus estudiantes están estudiando ahora con más detalle cómo este polímero concreto es capaz de formar láminas en 2D, y están experimentando con la modificación de su composición molecular para crear otros tipos de materiales novedosos.
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