MADRID, 20 Ene. (EUROPA PRESS) -
En un avance notable de la química, un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado el primer material entrelazado mecánicamente bidimensional (2D).
Este material a escala nanométrica, que se asemeja a los eslabones entrelazados de una cota de malla, exhibe una flexibilidad y una resistencia excepcionales. Con más investigación, promete ser utilizado en armaduras corporales ligeras y de alto rendimiento y otros usos que exigen materiales ligeros, flexibles y resistentes, segñun los autores.
El estudio, que se publicó en la revista Science, marca varias primicias en este campo. No solo es el primer polímero entrelazado mecánicamente en 2D, sino que el nuevo material también contiene 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, la mayor densidad de enlaces mecánicos jamás lograda.
Los investigadores produjeron este material utilizando un nuevo proceso de polimerización altamente eficiente y escalable. "Creamos una estructura de polímero completamente nueva", dijo en un comunicado William Dichtel profesor de Química de Northwestern y autor correspondiente del estudio.
"Es similar a una malla de acero en el sentido de que no se puede rasgar fácilmente porque cada uno de los enlaces mecánicos tiene un poco de libertad para deslizarse. Si tiras de ella, puede disipar la fuerza aplicada en múltiples direcciones. Y si quieres rasgarla, tendrías que romperla en muchos, muchos lugares diferentes. Seguimos explorando sus propiedades y probablemente la estudiaremos durante años".
SUPERANDO EL DESAFÍO
Durante años, los investigadores han intentado desarrollar moléculas entrelazadas mecánicamente con polímeros, pero les resultó casi imposible lograr que los polímeros formaran enlaces mecánicos.
Para superar este desafío, el equipo de Dichtel adoptó un enfoque completamente nuevo. Comenzaron con monómeros en forma de X (que son los componentes básicos de los polímeros) y los organizaron en una estructura cristalina específica y muy ordenada. Luego, hicieron reaccionar estos cristales con otra molécula para crear enlaces entre las moléculas dentro del cristal.
Los cristales resultantes comprenden capas y capas de láminas de polímero entrelazadas en 2D. Dentro de las láminas de polímero, los extremos de los monómeros en forma de X están unidos a los extremos de otros monómeros en forma de X. Luego, más monómeros se enhebran a través de los espacios intermedios. A pesar de su estructura rígida, el polímero es sorprendentemente flexible.
El equipo de Dichtel también descubrió que disolver el polímero en solución hizo que las capas de monómeros entrelazados se despegaran entre sí.
"Una vez formado el polímero, no hay mucho que mantenga unida la estructura", dijo Dichtel. "Por lo tanto, cuando lo ponemos en disolvente, el cristal se disuelve, pero cada capa 2D se mantiene unida. Podemos manipular esas láminas individuales".
Para examinar la estructura a escala nanométrica, los colaboradores de la Universidad de Cornell, dirigidos por el profesor David Muller, utilizaron técnicas de microscopía electrónica de vanguardia. Las imágenes revelaron el alto grado de cristalinidad del polímero, confirmaron su estructura entrelazada e indicaron su alta flexibilidad.
El equipo de Dichtel también descubrió que el nuevo material se puede producir en grandes cantidades. Los polímeros anteriores que contienen enlaces mecánicos generalmente se han preparado en cantidades muy pequeñas utilizando métodos que es poco probable que sean escalables. El equipo de Dichtel, por otro lado, fabricó medio kilogramo de su nuevo material y supone que es posible producir cantidades aún mayores a medida que surjan sus aplicaciones más prometedoras.
Inspirados por la resistencia inherente del material, los colaboradores de Dichtel en la Universidad de Duke, dirigidos por el profesor Matthew Becker, lo agregaron a Ultem. De la misma familia que el Kevlar, el Ultem es un material increíblemente fuerte que puede soportar temperaturas extremas, así como productos químicos ácidos y cáusticos.
Los investigadores desarrollaron un material compuesto de 97,5% de fibra Ultem y solo 2,5% del polímero 2D. Ese pequeño porcentaje aumentó drásticamente la resistencia y dureza generales del Ultem.
Dichtel prevé que el nuevo polímero de su grupo podría tener un futuro como material especial para chalecos antibalas ligeros y tejidos balísticos.