Llega el material imposible: ligero como el plastico, duro como el acero

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 similares a espaguetis. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir polímeros para formar láminas 2D.

Michael Strano- Mit 

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 autor principal de el 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 entusiasmados con eso».

Los investigadores solicitaron 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

Dr Yuwen Zeng

Los polímeros, que incluyen todos los plásticos, consisten en cadenas de bloques de construcción llamados monómeros. Estas cadenas crecen añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros se pueden moldear en objetos tridimensionales, como botellas de agua, mediante 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 lámina 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 crear tales 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 lámina bidimensional llamada poliaramida. Para los bloques de construcción de monómeros, utilizan un compuesto llamado melamina, que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. Bajo las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden crecer en dos dimensiones, formando discos. Estos discos se apilan uno enci

ma del otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.

El nuevo material es un polímero bidimensional que se autoensambla en láminas y podría usarse como un revestimiento liviano y duradero para piezas de automóviles o teléfonos celulares, o como material de construcción para puentes u otras estructuras.
Créditos:Imagen: película de polímero cortesía de los investigadores; Christine Daniloff, MIT

“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”, dice Strano. “Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución, y después de que sintetizamos el 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.

MATERIAL MAS FUERTE DEL ACERO

“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 cuánta fuerza se necesita para deformar un material, es entre cuatro y seis 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 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 «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», dice Tirrell, que no participó en el estudio.

Hay un nuevo plastico que va a jubilar al 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 pueden interponerse entre ellos.

«Esto podría permitirnos crear recubrimientos ultrafinos que pueden evitar por completo el paso de agua o gases», dice Strano. “Este tipo de revestimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero”.

Strano y sus estudiantes 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 Nanofluídico Mejorado (CENT), 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.

En otras palabras, un mejor plástico podría permitirnos usar menos plástico para algunos de los mismos productos. Strano también señala que, dado que el Kevlar molecularmente similar es reciclable, el 2DPA-1 también debería serlo. Por eso, en el horizonte, pude ver dos futuros simultáneos para la industria del plástico. En un carril, tenemos plásticos superresistentes (como 2DPA-1) para usos permanentes como edificios, que pueden superar a materiales como el acero y reducir su huella de carbono. En el otro carril, tenemos otro tipo de plásticos ultracompostables de origen natural , que podemos tirar sin culpa.