Los científicos han creado un plástico equivalente al acero: fuerte pero no pesado. Los plásticos, que los químicos a veces llaman polímeros, son una clase de moléculas de cadena larga formadas por unidades cortas repetitivas llamadas monómeros. A diferencia de los polímeros anteriores de la misma resistencia, el nuevo material solo viene en forma de membrana. También es 50 veces más hermético que el plástico más impermeable del mercado. Otro aspecto notable de este polímero es su simplicidad de síntesis. El proceso, que tiene lugar a temperatura ambiente, requiere solo materiales baratos, y el polímero puede producirse en masa en grandes láminas que solo tienen nanómetros de espesor. Los investigadores informan sus hallazgos el 2 de febrero en la revista Nature.
El material en cuestión se llama poliamida, una red entrelazada de unidades moleculares de amida (las amidas son grupos químicos de nitrógeno unidos a átomos de carbono unidos al oxígeno). Dichos polímeros incluyen Kevlar, una fibra utilizada para fabricar chalecos antibalas, y Nomex, un tejido resistente al fuego. Al igual que el Kevlar, las moléculas de poliamida en el nuevo material están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno a lo largo de toda su cadena, lo que mejora la resistencia general del material.
“Se adhieren entre sí como velcro”, dijo el autor principal Michael Strano, un ingeniero químico del MIT. Para rasgar materiales es necesario no solo romper cadenas moleculares individuales, sino también superar los gigantescos enlaces de hidrógeno intermoleculares que permean todo el conjunto de polímeros.
Además, los nuevos polímeros pueden formar escamas automáticamente, lo que hace que el material sea fácil de procesar, ya que puede convertirse en películas delgadas o usarse como recubrimiento de superficie de película delgada. Los polímeros tradicionales tienden a crecer como cadenas lineales, o ramificarse y unirse repetidamente en tres dimensiones, independientemente de la orientación, pero los polímeros de Strano crecen de una manera única en 2D para formar nanohojas.
"¿Se puede agregar en una hoja de papel? Resulta que, en la mayoría de los casos, no se puede hacer hasta que se realiza nuestro trabajo", dijo Strano. "Así que encontramos un nuevo mecanismo". En este trabajo reciente, su equipo superó un obstáculo para hacer posible esta agregación bidimensional.
La razón por la que las poliaramidas tienen una estructura plana es que la síntesis de polímeros implica un mecanismo llamado plantilla autocatalítica: a medida que el polímero se alarga y se adhiere a los bloques de construcción del monómero, la red de polímero en crecimiento induce a los monómeros subsiguientes a combinarse solo en la dirección correcta para fortalecer la unión de la estructura bidimensional. Los investigadores demostraron que podían recubrir fácilmente el polímero en solución sobre obleas para crear laminados de una pulgada de ancho y menos de 4 nanómetros de espesor. Eso es casi una millonésima parte del espesor del papel de oficina normal.
Para cuantificar las propiedades mecánicas del material polimérico, los investigadores midieron la fuerza necesaria para perforar una lámina suspendida con una aguja fina. Esta poliamida es, de hecho, más rígida que polímeros tradicionales como el nailon, el tejido utilizado para fabricar paracaídas. Sorprendentemente, se necesita el doble de fuerza para desenroscar esta poliamida superresistente que para acero del mismo grosor. Según Strano, la sustancia puede utilizarse como revestimiento protector sobre superficies metálicas, como las chapas de los automóviles, o como filtro para purificar el agua. En esta última función, la membrana filtrante ideal debe ser fina, pero lo suficientemente resistente como para soportar altas presiones sin filtrar pequeños contaminantes molestos en nuestro suministro final: una combinación perfecta para este material de poliamida.
En el futuro, Strano espera extender el método de polimerización a diferentes polímeros, más allá de este análogo del Kevlar. "Los polímeros están en todas partes", afirmó. "Son de todo". Imaginen convertir muchos tipos de polímeros, incluso los exóticos que pueden conducir la electricidad o la luz, en películas delgadas que puedan cubrir diversas superficies, añade. "Gracias a este nuevo mecanismo, quizá ahora se puedan utilizar otros tipos de polímeros", concluyó Stano.
En un mundo rodeado de plásticos, la sociedad tiene motivos para entusiasmarse con otro nuevo polímero cuyas propiedades mecánicas son todo menos comunes, dijo Strano. Esta aramida es extremadamente duradera, lo que significa que podemos reemplazar los plásticos cotidianos, desde pinturas hasta bolsas y envases de alimentos, con menos materiales y más resistentes. Strano agregó que, desde el punto de vista de la sostenibilidad, este polímero 2D súper fuerte es un paso en la dirección correcta para liberar al mundo del plástico.
Shi En Kim (como generalmente la llaman Kim) es una escritora científica independiente nacida en Malasia y pasante editorial de Popular Science de la edición de primavera de 2022. Ha escrito extensamente sobre temas que van desde los usos extravagantes de las telarañas (por parte de los humanos o de las propias arañas) hasta los recolectores de basura en el espacio exterior.
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Fecha de publicación: 19 de mayo de 2022