Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Northwestern University ha desarrollado el primer material bidimensional mecánicamente entrelazado de gran flexibilidad y resistencia. Según un comunicado de prensa, este material podría utilizarse en el futuro para desarrollar chalecos antibalas ligeros pero de alto rendimiento y otros materiales resistentes.

Fue en la década de 1980 cuando Fraser Stoddart, entonces químico de la Northwestern University, introdujo por primera vez el concepto de enlaces mecánicos. Posteriormente, Stoddart amplió el papel de estos enlaces hasta convertirlos en máquinas moleculares al permitir funciones como conmutar, girar, contraerse y expandirse de múltiples maneras y utilizarlos para desarrollar estructuras entrelazadas, lo que también le valió el Premio Nobel en 2016.

Los investigadores llevan décadas trabajando en el desarrollo de moléculas mecánicamente entrelazadas con polímeros, pero han fracasado.

William Dichtel, profesor de química de la Northwestern University, dijo en un comunicado:

“En química orgánica, es bastante sencillo formar los llamados ‘anillos de tamaño medio’ que tienen entre 5 y 8 átomos alrededor. Pero esos anillos son demasiado pequeños para enhebrar otra molécula a través de ellos”.

Dichtel agregó:

“En nuestro trabajo, se forman nuevos anillos en cada unidad de repetición de la estructura 2D, que tienen 40 átomos alrededor. Esto se logró utilizando un enfoque innovador y novedoso que incluso cuestionó las suposiciones sobre cómo reaccionan las moléculas”.

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Madison Bardot, candidata al doctorado en el laboratorio de Dichtel, desarrolló un proceso novedoso utilizando monómeros en forma de X como bloques de construcción y disponiéndolos en estructuras cristalinas altamente ordenadas. A continuación, utilizaron otra molécula para crear enlaces entre las moléculas del cristal.

Con 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, el nuevo material contiene la mayor densidad de enlaces mecánicos nunca antes alcanzada. Crédito de imagen: Mark Seniw, Center for Regenerative Nanomedicine

El material resultante consiste en capas de láminas poliméricas bidimensionales (2D) en las que los extremos de los monómeros en forma de X se entrelazan con los extremos de otros monómeros en forma de X, y más monómeros se enhebran a través de los espacios intermedios. En conjunto, el material consta de 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, la mayor densidad nunca antes alcanzada.

Curiosamente, el equipo también descubrió que la disolución del polímero en la solución permitía que los monómeros entrelazados se despegaran unos de otros, permitiendo la manipulación de láminas individuales.

Dichtel explicó en un comunicado:

“Muchas sustancias altamente cristalinas son quebradizas, pero nuestro polímero tiene una estructura regular y ordenada y, sin embargo, es muy flexible porque cada enlace mecánico tiene un poco de espacio para moverse.

Cuando se aplica una ligera fuerza al polímero, es extremadamente flexible, pero si se aplica más fuerza, el material se vuelve más rígido, ya que los enlaces mecánicos se estiran localmente hasta sus límites. Esta propiedad se denomina ‘endurecimiento por deformación’ y es de gran interés para materiales dúctiles y mecánicamente resistentes”.

Más allá de las propiedades mecánicas, la arquitectura del polímero tiene propiedades interesantes que pueden explorarse para nuevas aplicaciones.

De resistencia a resistencia

Los colaboradores de Dichtel en la Duke University añadieron este polímero de nuevo desarrollo al Ultem, una fibra de la misma familia que el Kevlar pero que soporta temperaturas extremas y exposición química. Utilizando sólo un 2.5 por ciento del polímero aumentaron drásticamente su resistencia y dureza. Esto podría utilizarse para fabricar blindajes o protección balística.

Científicos afirman que el nuevo material podría utilizarse para desarrollar un nuevo tipo de chalecos antibalas más ligeros. Crédito de imagen: GROK / X

Aunque hasta ahora se habían sintetizado a pequeña escala polímeros con enlaces mecánicos, el equipo de Dichtel pudo fabricar fácilmente casi medio kilo del material. Esto también demuestra que el método es altamente escalable.

Dichtel agregó:

“Quizá el aspecto más difícil fue demostrarnos a nosotros mismos que realmente teníamos la estructura mecánica entrelazada propuesta; fue necesario un equipo de expertos muy diversos -químicos sintéticos, microscopistas electrónicos, ingenieros de polímeros- para averiguar cómo fabricar los materiales y luego cómo estudiarlos”.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Science.

[FT: northwestern.edu]

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