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| Esta ilustración muestra cómo se entrelazan monómeros en forma de X para crear el primer polímero 2D mecánicamente entrelazado. Similar a una cota de malla, el material presenta una resistencia excepcional. Fotografía: Mark Seniw, Centro de Nanomedicina Regenerativa, Universidad Northwestern. |
En un logro sin precedentes, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha creado con éxito el primer material bidimensional (2D) mecánicamente entrelazado, comparable a una cota de malla a nanoescala. Este innovador material presenta una flexibilidad y una resistencia extraordinarias, por lo que tiene aplicaciones potenciales en blindajes corporales ligeros y de alto rendimiento y en otros campos que requieren materiales robustos pero flexibles.
Publicado el 17 de enero en la revista Science, este estudio representa varios hitos para la comunidad científica. Presenta el primer polímero 2D mecánicamente entrelazado, con una densidad sin precedentes de 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, la mayor densidad de enlaces de este tipo jamás registrada.
El desarrollo de este material ha sido posible gracias a un proceso de polimerización novedoso, eficiente y escalable.
«Hemos desarrollado una estructura polimérica completamente nueva», declaró William Dichtel, autor principal del estudio y profesor de química en Northwestern. «Como una cota de malla, no se rompe fácilmente porque los enlaces mecánicos pueden deslizarse y redistribuir la fuerza. Para romperla, habría que romper varios enlaces a la vez. Estamos empezando a explorar sus propiedades y su potencial».
Dichtel es catedrático de Química Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg. También es miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología (IIN) y del Instituto Paula M. Trienens de Sostenibilidad y Energía. Madison Bardot, candidata al doctorado en el laboratorio de Dichtel y becaria Ryan del IIN, es la autora principal del estudio.
Históricamente, los investigadores han tenido problemas para crear moléculas mecánicamente entrelazadas dentro de los polímeros debido a la dificultad de formar enlaces mecánicos. El equipo de Dichtel abordó este reto adoptando una nueva perspectiva. Empezaron con monómeros en forma de X, las unidades fundamentales de los polímeros, y los dispusieron en una estructura cristalina meticulosamente ordenada. A continuación, hicieron reaccionar estos cristales con otra molécula para establecer enlaces dentro de la red cristalina.
«Madison merece mucho crédito por concebir esta idea de formar el polímero mecánicamente entrelazado», reconoció Dichtel. «Fue un concepto audaz, de alto riesgo y gran recompensa, que nos obligó a replantearnos los tipos de reacciones factibles en los cristales moleculares».
Los cristales resultantes están formados por capas de láminas de polímero 2D entrelazadas. Dentro de estas láminas, los monómeros en forma de X están unidos de extremo a extremo, con monómeros adicionales enhebrados a través de los huecos. A pesar de su naturaleza estructurada, el polímero es inesperadamente flexible.
El equipo también descubrió que las capas de polímero podían separarse cuando se disolvían en un disolvente, y que cada capa 2D permanecía intacta.
«Una vez formada, la estructura del polímero no está fuertemente unida», explica Dichtel. «En disolución, el cristal se disuelve, pero cada capa 2D permanece unida, lo que nos permite manipular hojas individuales».
Para escrutar la estructura a nanoescala, los colaboradores de la Universidad de Cornell emplearon técnicas avanzadas de microscopía electrónica, dirigidas por el profesor David Muller. Estos exámenes confirmaron la alta cristalinidad, la estructura entrelazada y la flexibilidad del polímero.
Además, el equipo de Dichtel demostró la viabilidad de producir el nuevo material en grandes cantidades. A diferencia de los anteriores polímeros unidos mecánicamente, que suelen producirse en pequeñas cantidades con métodos no escalables, el equipo consiguió crear medio kilogramo del nuevo material, lo que indica el potencial de una producción a mayor escala.
Inspirados por la resistencia del nuevo material, los colaboradores de la Universidad de Duke, dirigidos por el profesor Matthew Becker, lo incorporaron al Ultem, un material parecido al Kevlar que resiste condiciones extremas. Los investigadores desarrollaron un compuesto con un 97,5% de fibra de Ultem y un 2,5% del polímero 2D, lo que mejoró notablemente la resistencia y tenacidad del Ultem.
Dichtel prevé futuras aplicaciones de este polímero en áreas especializadas como los chalecos antibalas ligeros y los tejidos balísticos. «Nos queda mucho por analizar, pero está claro que mejora la resistencia de los materiales compuestos», afirma.
Los autores dedicaron su artículo al difunto Sir Fraser Stoddart, un antiguo químico de Northwestern que introdujo el concepto de enlaces mecánicos en los años ochenta. El trabajo pionero de Stoddart sobre las máquinas moleculares le valió el Premio Nobel de Química de 2016.
«Las moléculas no se enhebran entre sí de forma natural, por lo que Fraser desarrolló métodos ingeniosos para crear plantillas de estructuras entrelazadas», explica Dichtel. «Aun así, esos métodos no eran prácticos para moléculas grandes como los polímeros. En nuestro trabajo, las moléculas se fijan en un cristal, formando un enlace mecánico alrededor de cada una».
Los enlaces mecánicos tienen una larga historia en Northwestern, y el equipo de Dichtel está ansioso por explorar su potencial sin explotar.