Con apenas una sexta parte de la densidad del acero, tiene una resistencia seis veces mayor que un vidrio a prueba de balas.
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.
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.
«Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que podrías usar para sostener un edificio, pero con este material, puedes habilitar cosas nuevas», sostiene Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal de el nuevo estudio. «Tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados con eso».
Dos dimensiones
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 encima del otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.
Síntesis y caracterización de un material polimérico 2D.
«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», explica 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.
«Con este avance, tenemos moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte pero extremadamente delgado», señala el ingeniero químico.
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 la 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 «incorpora una química muy creativa para hacer unir estos polímeros 2D».
Impermeable
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», apunta 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 investigando 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.