Los materiales que son fuertes y livianos podrían mejorar todo, desde automóviles hasta chalecos antibalas. Pero por lo general, las dos cualidades son mutuamente excluyentes. Ahora, investigadores han desarrollado un material extraordinariamente fuerte y liviano utilizando dos bloques de construcción poco comunes: ADN y vidrio.
Prueba de resistencia durante los experimentos para lograr el nuevo material.
La fuerza es relativa. El hierro, por ejemplo, puede soportar 7 toneladas de presión por centímetro cuadrado. Pero también es muy denso y pesado, con un peso de 7.8 gramos/centímetro cúbico. Otros metales, como el titanio, son más fuertes y livianos que el hierro. Y ciertas aleaciones que combinan múltiples elementos son aún más fuertes.
Los materiales fuertes y livianos han permitido la creación de chalecos antibalas livianos, mejores dispositivos médicos y han hecho que los automóviles y aviones sean más seguros y rápidos. La forma más sencilla de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico, por ejemplo, no es agrandar la batería sino hacer que el vehículo sea más ligero sin sacrificar la seguridad y la vida útil. Pero las técnicas metalúrgicas tradicionales han llegado a un límite en los últimos años, y los científicos han tenido que volverse aún más creativos para desarrollar nuevos materiales livianos de alta resistencia.
Tal es el caso de Seok-Woo Lee, científico de materiales de Universidad de Connecticut (UConn), y sus colegas de la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional de Brookhaven, quienes han informado que al construir una estructura a partir de ADN y luego recubrirla con vidrio, crearon un material muy fuerte con una densidad muy baja.
El vidrio puede parecer una elección sorprendente, ya que se rompe fácilmente. Sin embargo, el vidrio generalmente se rompe debido a una falla —como una grieta, un rasguño o la falta de átomos— en su estructura. Un centímetro cúbico impecable de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión, más de tres veces la presión que implosionó el sumergible Titán de OceanGate cerca del Titanic en junio de 2023.
Crédito: Lee et al, Cell Reports Physical Science. 2023.
Y si bien es cierto que es muy difícil crear una pieza de vidrio sin fallas, los investigadores se las ingeniaron para minimizar su tamaño al máximo. Siempre que el vidrio tenga menos de un micrómetro de espesor, casi siempre es impecable. Y dado que la densidad del vidrio es mucho más baja que la de los metales y la cerámica, cualquier estructura hecha de vidrio de tamaño nanométrico debe ser fuerte y liviana.
«Para la densidad dada, nuestro material es el más fuerte conocido», dijo Lee.
Mejorando la armadura de Iron Man
El equipo creó una estructura de ADN autoensamblado. Casi como Magnatiles, pedazos de ADN de longitudes y químicas específicas se unieron en un esqueleto del material —como si fuera el armazón de una casa o edificio, pero hecho de ADN—.
Oleg Gang y Aaron Mickelson, científicos de nanomateriales de la Universidad de Columbia y del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven, recubrieron el ADN con una capa muy delgada de material similar al vidrio de solo unos cientos de átomos de espesor. El vidrio solo cubrió las hebras de ADN, dejando una gran parte del volumen material como espacio vacío —siguiendo con la analogía, muy parecido a las habitaciones dentro de una casa o edificio—.
El esqueleto de ADN reforzó la fina e impecable capa de vidrio, lo que hizo que el material fuera muy resistente, y los vacíos que componen la mayor parte del volumen del material lo hicieron liviano. Como resultado, las estructuras de nanorrejilla de vidrio tienen una resistencia cuatro veces mayor pero una densidad cinco veces menor que el acero. Esta combinación inusual de ligereza y alta resistencia nunca se había logrado antes.
La serie de imágenes en la parte superior (A) muestra cómo el esqueleto de la estructura se ensambla con ADN y luego se recubre con vidrio. (B) Muestra una imagen de microscopio electrónico de transmisión del material, y (C) muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido, con los dos paneles de la derecha acercándose a características a diferentes escalas.
«La capacidad de crear nanomateriales de estructura 3D diseñados utilizando ADN y mineralizarlos abre enormes oportunidades para la ingeniería de propiedades mecánicas. Pero aún se necesita mucho trabajo de investigación antes de que podamos emplearlo como tecnología», señaló Gang.
El equipo está trabajando actualmente con la misma estructura de ADN, pero sustituyendo el vidrio por cerámicas de carburo aún más resistentes. Tienen planes de experimentar con diferentes estructuras de ADN para ver cuál hace que el material sea más fuerte.
Los futuros materiales basados en este mismo concepto son muy prometedores como materiales de ahorro de energía para vehículos y otros dispositivos que priorizan la resistencia. Lee cree que la nanoarquitectura de origami de ADN abrirá un nuevo camino para crear materiales más livianos y fuertes que nunca antes habíamos imaginado.
«Soy un gran admirador de las películas de Iron Man y siempre me he preguntado cómo crear una mejor armadura para este héroe. Debe ser muy ligero para que vuele más rápido. Debe ser muy fuerte para protegerlo de los ataques de los enemigos. Nuestro nuevo material es cinco veces más ligero pero cuatro veces más fuerte que el acero. Por lo tanto, nuestras nanoredes de vidrio serían mucho mejores que cualquier otro material estructural para crear una armadura mejorada para Iron Man», concluyó el científico.
Los detalles sobre este nuevo material han sido publicados en Cell Reports Physical Science.
Fuente: UConn. Edición: MP.
Científicos usan ADN para construir material más ligero y resistente que el acero