Ingenieros del MIT crean material polimérico más fuerte que el acero

Película de polímero. Imagen: cortesía de los investigadores; Christine Daniloff, MIT.

Usando un proceso de polimerización novedoso, un equipo de ingenieros químicos del MIT creó un nuevo material más fuerte que el acero, pero 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.

De acuerdo con Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs del MIT y autor sénior del nuevo estudio, este novedoso 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.

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“Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que podrías usar para sostener un edificio, pero con este material, puedes habilitar cosas nuevas”, dijo Strano y agregó que el nuevo material: “tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados con ello".

Los investigadores han solicitado dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo publicado en Nature. Yuwen Zeng, postdoctorante del MIT, es el autor principal del estudio.

En dos dimensiones

Los polímeros (incluidos 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 estudiosos de los polímeros han planteado la hipótesis de que, si se pudiera inducir a los polímeros a crecer en una lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos, pero muchas décadas de trabajo en este campo llevaron a concluir que era imposible crear tales hojas. Una de las razones 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.

No obstante, 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 encima del otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.

“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”, afirmó 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”.

Dado 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.

“Con este avance, tenemos moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte pero extremadamente delgado”, dijo Strano.

Ligero pero fuerte

Los investigadores hallaron 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 de este material.

Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, dice que la nueva técnica “incorpora una química muy creativa para hacer estos polímeros 2D unidos” y añadió que un aspecto importante de estos nuevos polímeros “es que son fácilmente procesables en solución, lo que facilitará numerosas nuevas aplicaciones en las que es importante una alta relación resistencia/peso, como los nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión”.

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 piezas de 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”, dijo Strano. “Este tipo de revestimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero”.

Ahora Strano y sus estudiantes estudian con 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.