Imaginemos una armadura que es liviana como la tela pero más fuerte que el acero, construida con materiales que se encadenan como en la cota de malla, donde los eslabones son moléculas. La ciencia parece haber dado el primer paso en esa dirección.
Un equipo de investigadores encabezados por científicos de la Universidad Northwestern desarrolló lo que podría ser el primer material de encadenado mecánico en dos dimensiones, similar a la cota de malla. Detallado en un trabajo del 16 de enero que se publicó en Science, el material es excepcionalmente flexible y fuerte, y con prometedoras aplicaciones como protector antibalas.
En el trabajo, desarrollaron el material a nivel de nanoescalas, lo que significa que sus componentes se miden en nanómetros. Técnicamente se trata de un polímero, sustancia compuesta por moléculas de mayor tamaño a su vez compuestas de unidades químicas más pequeñas llamadas monómeros. Las proteínas, la celulosa y los ácidos nucleicos, por ejemplo, son polímeros.
El material 2D mecánicamente encadenado es una estructura de polímeros que usa encadenado mecánico, en oposición a la vinculación covalente que usualmente compone los polímeros y tiene que ver con compartir electrones. Presenta 100 mil billones de encadenados por cada centímetro cuadrado, la densidad más alta que se haya conseguido en la historia, según los investigadores.
“Construimos una estructura polimérica totalmente nueva”, dijo en su declaración el co-autor William Dichtel de la Universidad Northwestern. “Se parece a la cota de malla en que no se rasga con facilidad porque cada uno de los encadenamientos tiene algo de libertad de deslizamiento. Sometido a tracción puede disipar la fuerza aplicada en varias direcciones y si quieres rasgarlo tendrás que romperlo en muchos lugares diferentes. Seguiremos explorando sus propiedades y probablemente su estudio nos llevará unos años”.
Todo un desafío
El mayor desafío para crear moléculas con encadenado mecánico está en ver cómo guiar a los polímeros para que formen vínculos mecánicos. Madison Bardot, de la Universidad Northwestern y quien encabezó el estudio, se lleva el crédito de haber creado un nuevo método para lograrlo. El equipo ubicó monómeros en forma de X en una estructura cristalina (una disposición en orden específico) y provocó una reacción en los cristales con otra molécula. Esta reacción creó vínculos mecánicos entre los cristales y como producto final se obtuvieron capas 2D de polímero encadenado, en tanto que los intersticios se llenaron con más monómeros en forma de X.
“La idea era de alto riesgo pero también, de alta recompensa. Debimos cuestionar todos nuestros preconceptos en cuanto al tipo de reacciones posibles”, dijo Dichtel.
El material resultante es increíblemente fuerte pero flexible y fácil de manipular. “Si se lo pone en solvente el cristal se disuelve, pero cada capa 2D se mantiene unida. Se pueden manipular esas láminas individuales”, explicó.
En trabajos anteriores solo se lograba encadenar mecánicamente los polímeros en cantidades muy pequeñas. Pero el nuevo método sorprende porque puede fabricarse a escala. Crearon más de medio kilo de material, con la posibilidad de fabricar más.
Con solo un pequeño porcentaje de la nueva estructura polimérica se pueden mejorar otras sustancias. Los investigadores crearon un material compuesto en un 97,5% de fibra Ultem (de la misma familia que el Kevlar) y 2,5% del polímero 2D, y concluyeron que la mezcla aumentaba la resistencia y fuerza considerablemente.
“Tenemos mucho por analizar todavía, pero podemos decir que mejora la fuerza de estos materiales compuestos. Casi todas las propiedades que medimos fueron excepcionales”, dijo Dichtel. Este material increíblemente fuerte y flexible podría ser la armadura que el futuro ha estado esperando.
