Crean un material más resistente que el acero pero ligero como el plástico

Este polímero podría utilizarse como una especie de 'capa protectora' y usarse en coches, teléfonos móviles o incluso en materiales de construcción en puentes y otras estructuras, explica Michael Strano , profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal de el nuevo estudio. «Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que podríamos usar para sostener un edificio, pero con este material, puedes habilitar cosas nuevas. Tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados», afirma.

Los polímeros -que forman todos los plásticos- son una suerte de cadenas de bloques de construcción cuyos 'ladrillos' básicos serían los conocidos como monómeros . Estas cadenas crecen añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros se pueden moldear en objetos tridimensionales, como botellas o bolsas, mediante moldeo por inyección.

Los científicos de polímeros han planteado durante mucho tiempo la hipótesis de que si se pudiera inducir a los polímeros a crecer en una lámina bidimensional, deberían formar materiales extremadamente fuertes y livianos. Sin embargo, muchas décadas de trabajo en este campo llevaron a la conclusión de que era imposible crear tales hojas. Una de las razones era que si solo un monómero gira hacia arriba o hacia abajo, fuera del plano de la hoja en crecimiento, el material comenzaría a expandirse en tres dimensiones y se perderá la estructura similar a una lámina.

Sin embargo, en el nuevo estudio, Strano y sus colegas idearon un nuevo proceso de polimerización que les permite generar una lámina bidimensional llamada poliaramida . Para los bloques de construcción de monómeros, utilizan un compuesto llamado melamina , que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. Bajo las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden crecer en dos dimensiones, formando discos. Estos discos se apilan uno encima del otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y fuerte.

«En lugar de hacer una molécula con forma de espagueti, podemos hacer un plano molecular con forma de lámina, donde hacemos que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones -dice Strano-. Este mecanismo ocurre espontáneamente en solución, y después de que sintetizamos el material, podemos recubrir por rotación fácilmente películas delgadas que son extraordinariamente fuertes».

Debido a que el material se autoensambla en solución, se puede fabricar en grandes cantidades simplemente aumentando la cantidad de materiales de partida. Los investigadores demostraron que podían recubrir superficies con películas del material, al que llaman 2DPA-1 . «Con este avance, tenemos moléculas planas que serán mucho más fáciles de convertir en un material muy fuerte pero extremadamente delgado», afirma Strano.

Los investigadores encontraron que el módulo de elasticidad del nuevo material -una constante que mide su comportamiento elástico y pronostica también su estiramiento- es entre cuatro y seis veces mayor que el del vidrio a prueba de balas. También descubrieron que su límite elástico -es decir, la tensión máxima que un material elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes-, es el doble que el del acero, aunque tiene solo una sexta parte de su densidad.

Otra característica clave de 2DPA-1 es que es impermeable a los gases. Mientras que otros polímeros están hechos de cadenas enrolladas con espacios que permiten que los gases se filtren, el nuevo material está hecho de monómeros que se unen como piezas de LEGO, y las moléculas no pueden interponerse entre ellos. «Esto podría permitirnos crear recubrimientos ultrafinos que pueden evitar por completo el paso de agua o gases», dice Strano. «Este tipo de revestimiento de barrera podría usarse para proteger el metal en automóviles y otros vehículos, o estructuras de acero».

El próximo paso será estudiar con más detalle cómo este polímero en particular puede formar láminas 2D, y están experimentando con el cambio de su composición molecular para crear otros tipos de materiales novedosos.