Un polímero bidimensional que se autoensambla en láminas, que pueden enrollarse para formar tubos, es más resistente que el acero y tan liviano como el plástico.
Un material así podría utilizarse como revestimiento ligero y duradero para piezas de automóviles o teléfonos celulares, o como material de construcción para puentes u otras estructuras.
Desde hace tiempo, los científicos especializados en polímeros plantean la hipótesis de que, si se pudiera inducir a los polímeros a crecer en forma de lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente resistentes y ligeros.
Mediante un novedoso proceso de polimerización, ingenieros químicos del MIT han creado un nuevo material más resistente que el acero y tan liviano como el plástico, que además 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 semejantes a espaguetis. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir a los polímeros a formar láminas 2D.
Un material así podría utilizarse como revestimiento ligero y duradero para piezas de automóviles o teléfonos celulares, o como material de construcción para puentes u otras estructuras, afirma Michael Strano, profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química del MIT y autor principal del nuevo estudio.
«Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que se pueda usar para sostener un edificio, pero con este material se pueden hacer posibles cosas nuevas», afirma. «Tiene propiedades muy poco comunes y eso nos entusiasma mucho».
Los investigadores han solicitado dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo publicado hoy en Nature. El investigador posdoctoral 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 constitutivos llamados monómeros. Estas cadenas crecen al añadir nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros pueden moldearse mediante inyección para crear objetos tridimensionales, como botellas de agua.
Desde hace tiempo, los científicos especializados en polímeros plantean la hipótesis de que, si se pudiera inducir a los polímeros a crecer en forma de lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente resistentes y ligeros. Sin embargo, décadas de trabajo en este campo llevaron a la conclusión de que era imposible crear láminas de ese tipo. Una de las razones era que, si tan solo un monómero gira hacia arriba o hacia abajo y sale del plano de la lámina en crecimiento, el material empieza a expandirse en tres dimensiones y se pierde la estructura laminar.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Strano y sus colegas idearon un nuevo proceso de polimerización que les permite generar una lámina bidimensional llamada poliaramida. Para los bloques constitutivos monoméricos 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 y formar discos. Los discos se apilan unos sobre otros y se mantienen unidos mediante enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y resistente.
«En lugar de fabricar una molécula semejante a un espagueti, podemos crear un plano molecular en forma de lámina, en el que las moléculas se enlazan entre sí en dos dimensiones», afirma Strano. «Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución y, después de sintetizar el material, podemos formar fácilmente películas delgadas mediante recubrimiento por centrifugación, que son extraordinariamente resistentes».
Como el material se autoensambla en solución, puede fabricarse en grandes cantidades con solo aumentar 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, contamos con moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy resistente, pero extremadamente delgado», afirma Strano.
Ligero, pero resistente
Los investigadores descubrieron que el módulo elástico del nuevo material —una medida de la fuerza necesaria para deformar un material— es entre cuatro y seis veces mayor que el del vidrio antibalas. También observaron que su límite elástico, es decir, la fuerza necesaria para romper el material, es el doble que el del acero, aunque el material tiene apenas una sexta parte de la densidad del acero.
Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, afirma que la nueva técnica «pone de manifiesto una química muy creativa para fabricar estos polímeros 2D unidos mediante enlaces».
«Un aspecto importante de estos nuevos polímeros es que se procesan fácilmente en solución, lo que facilitará numerosas aplicaciones nuevas en las que sea importante una elevada relación resistencia-peso, como nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión», afirma Tirrell, quien no participó en el estudio.
Otra característica clave del 2DPA-1 es que es impermeable a los gases. Mientras que otros polímeros están formados por cadenas enrolladas con huecos que permiten el paso de los gases, el nuevo material está hecho de monómeros que se encajan como piezas de LEGO, entre los que no pueden pasar las moléculas.
«Esto podría permitirnos crear revestimientos ultrafinos que impidan por completo el paso del agua o los gases», afirma Strano. «Este tipo de revestimiento de barrera podría utilizarse para proteger el metal de automóviles y otros vehículos, o las estructuras de acero».
Strano y sus estudiantes estudian ahora con más detalle cómo este polímero en particular puede formar láminas 2D y están experimentando con cambios en su composición molecular para crear otros tipos de materiales novedosos.
La investigación fue financiada por el Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un centro de investigación de la Energy Frontier patrocinado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., y por el Laboratorio de Investigación del Ejército.
