El nuevo material es un polímero bidimensional que se autoensambla formando láminas. A diferencia de todos los demás polímeros, los polímeros ordinarios sólo pueden polimerizarse para formar cadenas largas y unidimensionales como espaguetis. Hasta ahora, los científicos pensaban que era imposible inducir a los polímeros a formar láminas bidimensionales.
Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT y principal responsable de este nuevo trabajo de investigación, afirma que en el pasado la gente generalmente no pensaba que los plásticos pudieran usarse como materiales estructurales de construcción. Pero se puede crear algo nuevo utilizando este nuevo material. El nuevo material tiene propiedades inusuales y fascinantes y podría utilizarse como revestimiento ligero y duradero para piezas de automóviles o teléfonos móviles, o como material de construcción para puentes u otras estructuras.
Los investigadores han solicitado dos patentes sobre el proceso de generación de este material y los resultados de la investigación se han publicado en un artículo en la revista Nature. Yuwen Zeng, postdoctorado en el MIT, es el autor principal del estudio.
Materiales bidimensionales
Los polímeros, incluidos todos los plásticos, están compuestos por unidades estructurales formadas por monómeros que se polimerizan repetidamente formando cadenas. Estas cadenas forman cadenas largas agregando continuamente nuevas unidades estructurales a sus extremos. Una vez que se completa el proceso de polimerización, el polímero se puede convertir en objetos tridimensionales, como botellas de agua, mediante moldeo por inyección.
Es una hipótesis de larga data en la ciencia de materiales que si se pudiera lograr que los polímeros crecieran en láminas bidimensionales, deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos. Sin embargo, después de décadas de investigación en este campo, los científicos concluyeron que sería imposible conseguir un material así. La razón importante es que mientras un monómero gire hacia arriba o hacia abajo más allá del plano bidimensional durante el proceso de polimerización, el material se expandirá y crecerá en el espacio tridimensional y perderá su estructura laminar.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Strano y sus colegas propusieron un nuevo proceso de polimerización que produce láminas bidimensionales llamadas poliaramida. Entre ellos, la unidad estructural del monómero es 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 materiales en forma de disco. Estos discos están apilados uno encima del otro y se mantienen unidos mediante enlaces de hidrógeno entre capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.
Strano dijo que el nuevo proceso de polimerización puede crear superficies moleculares en forma de láminas, en lugar de las largas cadenas moleculares en forma de espagueti del pasado, y por lo tanto puede conectar automáticamente superficies moleculares en dos dimensiones. Este mecanismo de polimerización puede ocurrir automáticamente en solución y, a medida que el material se polimeriza, puede girar fácilmente para formar membranas muy fuertes.
Debido a que los materiales pueden autoensamblarse en solución, se puede lograr una producción a gran escala simplemente aumentando la cantidad de materiales de partida. Los investigadores dijeron que esta película de material se puede recubrir en la superficie de otros objetos y la marca del material es 2DPA-1. Strano dijo que a medida que avance esta investigación científica, la humanidad cuenta con polímeros bidimensionales, lo que ayudará a que sea más fácil crear nuevos materiales que sean muy fuertes y extremadamente delgados.
Ligero y de alta resistencia
Otros estudios realizados por los investigadores demostraron que el módulo elástico del nuevo material - e incluso la fuerza necesaria para deformar el material - es de 4 a 4 veces mayor que el del vidrio antibalas 6 veces. Además, si bien el material es sólo una sexta parte de la densidad del acero, su límite elástico (la fuerza necesaria para romper el material) es el doble que el del acero.
Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, dijo que la nueva tecnología "ejemplifica un enfoque químico muy creativo para fabricar tales dispositivos interconectados".
Tirrell dijo que una razón importante por la que se puede formar este nuevo polímero es que se forma fácilmente en solución. Dado que el material tiene una buena resistencia específica, facilitará muchas aplicaciones nuevas, como nuevos materiales compuestos o materiales de membrana para evitar la difusión en líquidos.
Otra característica clave de 2DPA-1 es que es hermético. Otros materiales poliméricos suelen estar formados por largas cadenas enrolladas con espacios entre moléculas que permiten el paso de los gases. Pero este nuevo material está hecho de monómeros como los ladrillos Lego y las moléculas de gas no pueden atravesarlo.
Utilizando esta propiedad, se puede crear un recubrimiento ultrafino que bloquea completamente el paso de agua o gas. Este revestimiento de barrera se puede utilizar para proteger las superficies de estructuras metálicas utilizadas en automóviles y otros equipos.
El grupo de investigación de Strano está estudiando con más detalle el mecanismo por el cual este polímero en particular es capaz de formar láminas bidimensionales. Además, los investigadores están intentando alterar la composición molecular para crear otro tipo de nuevos materiales.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y el Centro para el Transporte Mejorado de Nanofluidos (CENT) del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (Chen) evidencia