Investigadores del MIT han desarrollado una familia de materiales capaces de emitir luz de colores controlados con precisión (incluida la luz blanca pura), cuya emisión puede ajustarse para responder a una gran variedad de condiciones externas. Los materiales podrían utilizarse para detectar compuestos químicos y biológicos, así como condiciones mecánicas y térmicas.
El material, un metalogel polimérico elaborado con tierras raras, se describe en un artículo publicado en la revista Journal of the American Chemical Society firmado por el profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales Niels Holten-Andersen, el posdoctorado Pangkuan Chen y los estudiantes de posgrado Qiaochu Li y Scott Grindy.
El material, un metalogel luminiscente de lantánidos, puede ajustarse químicamente para emitir luz en respuesta a estímulos químicos, mecánicos o térmicos, lo que podría proporcionar una señal visible que indique la presencia de una sustancia o una condición concreta.
El nuevo material es un ejemplo del trabajo con materiales de inspiración biológica, explica Holten-Andersen. «Mi campo es el biomimetismo: utilizar los trucos de la naturaleza para diseñar polímeros bioinspirados», afirma. Según explica, en los océanos existe una variedad asombrosa de organismos «realmente extravagantes», y añade: «Apenas hemos rascado la superficie en el intento de comprender cómo están construidos, desde un punto de vista químico y mecánico».
Estudiar estos materiales naturales, que han evolucionado durante millones de años para adaptarse a condiciones ambientales exigentes, «nos permite a los ingenieros extraer principios de diseño» que pueden aplicarse a otros tipos de materiales, añade.
Las propias investigaciones de Holten-Andersen han examinado un tipo particular de entrecruzamiento en los filamentos que los mejillones utilizan para anclarse a las rocas, denominado enlaces de coordinación metálica. Estos enlaces, añade, también desempeñan un papel importante en numerosas funciones biológicas, como la unión del oxígeno a la hemoglobina en los glóbulos rojos.
Subraya que la idea no es copiar la naturaleza, sino comprender y aplicar algunos de los principios subyacentes de los materiales naturales; en algunos casos, estos principios pueden aplicarse en materiales de estructura más sencilla y más fáciles de producir que sus equivalentes naturales.
En este caso, el uso de un metal del grupo de los lantánidos, también conocidos como tierras raras, combinado con un polímero de uso generalizado llamado polietilenglicol, o PEG, da como resultado un material que produce emisiones de luz multicolor y ajustable. La emisión de luz puede reflejar cambios muy sutiles en el entorno, ofreciendo una salida codificada por colores que revela detalles de esas condiciones.
«Es supersensible a los parámetros externos», afirma Holten-Andersen. «Cualquier cosa que hagas cambiará la dinámica de los enlaces, lo que a su vez cambiará el color.»
Así, por ejemplo, los materiales podrían diseñarse para detectar contaminantes, toxinas o patógenos específicos, con resultados visibles de inmediato a través de la emisión de color.
Los materiales también pueden detectar cambios mecánicos y podrían utilizarse para detectar tensiones en sistemas mecánicos, explica Holten-Andersen. Por ejemplo, afirma que medir las fuerzas en los fluidos es difícil, pero este enfoque podría ofrecer un medio sensible para hacerlo.
El material puede fabricarse en forma de gel, película fina o recubrimiento que podría aplicarse a estructuras, indicando potencialmente el desarrollo de un fallo antes de que se produzca.
Los enlaces de coordinación metálica en polímeros han sido objeto de otros trabajos de Holten-Andersen: en un artículo que publicó el 31 de agosto en la revista Nature Materials, en el que describe la fabricación de polímeros con propiedades mecánicas ajustables, como la rigidez. Estos materiales son naturalmente autoensamblables y autorreparables, afirma, y podrían resultar útiles como materiales absorbentes de energía o en implantes biológicos que deban absorber impactos sin romperse.
«Lo interesante aquí es que los materiales cambian de color en respuesta a un conjunto tan amplio y rico de estímulos», afirma Stephen Craig, profesor de Química en la Universidad de Duke, que no participó en esta investigación. Añade: «El hecho de que el estado de referencia pueda ser blanco resulta bastante útil; por ejemplo, suele ser más fácil detectar a simple vista que algo tiene un leve matiz verde que determinar si es un tono de verde u otro distinto.»
Craig ve diversos usos potenciales para estos materiales. «Me imagino utilizando estos u otros materiales similares como monitores in situ de una amplia gama de condiciones», afirma, y añade que el despliegue práctico de la tecnología podría verse facilitado por el hecho de que «el andamiaje de hidrogel empleado aquí es tan habitual en estudios sobre cuestiones biológicas y de física fundamental de polímeros».
Este trabajo contó con el apoyo del MIT Energy Initiative y del MIT Sea Grant, a través de la cátedra Doherty en Aprovechamiento de los Océanos.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
Para mantenerte al día con la Agenda, suscríbete a nuestro boletín semanal.
Autor: David L. Chandler es escritor científico independiente.
Imagen: Los materiales luminiscentes producidos por el equipo del MIT se muestran bajo luz ultravioleta, emitiendo distintos colores de luz que pueden modificarse según sus condiciones ambientales. Estas perlas luminiscentes fueron elaboradas por los estudiantes de ciencia e ingeniería de materiales Caroline Liu y Rebecca Gallivan. FOTO/Tara Fadenrecht
