En una notable hazaña de la química, un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado el primer materials bidimensional (2D) entrelazado mecánicamente.
Parecido a los eslabones entrelazados de una cota de malla, el materials a nanoescala exhibe una flexibilidad y resistencia excepcionales. Con más trabajo, es prometedor para su uso en chalecos antibalas livianos y de alto rendimiento y otros usos que exigen materiales livianos, flexibles y resistentes.
Publicación el viernes (17 de enero) en la revista. Cienciael estudio marca varias primicias en el campo. No sólo es el primer polímero 2D entrelazado mecánicamente, sino que el novedoso materials también contiene 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, la mayor densidad de enlaces mecánicos jamás alcanzada. Los investigadores produjeron este materials mediante un proceso de polimerización nuevo, altamente eficiente y escalable.
«Hicimos una estructura polimérica completamente nueva», dijo William Dichtel de Northwestern, autor correspondiente del estudio. «Es comparable a la cota de malla en el sentido de que no se puede romper fácilmente porque cada uno de los enlaces mecánicos tiene un poco de libertad para deslizarse. Si tiras de él, puede disipar la fuerza aplicada en múltiples direcciones. Y si quieres romperlo, habría que romperlo en muchos, muchos lugares diferentes. Continuamos explorando sus propiedades y probablemente lo estudiaremos durante años».
Dichtel es profesor de Química Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología (IIN) y del Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía. Madison Bardot, Ph.D. candidato en el laboratorio de Dichtel y IIN Ryan Fellow, es el primer autor del estudio.
Inventando un nuevo proceso
Durante años, los investigadores han intentado desarrollar moléculas entrelazadas mecánicamente con polímeros, pero encontraron casi imposible convencer a los polímeros para que formen enlaces mecánicos.
Para superar este desafío, el equipo de Dichtel adoptó un enfoque completamente nuevo. Comenzaron con monómeros en forma de X, que son los componentes básicos de los polímeros, y los dispusieron en una estructura cristalina específica y altamente ordenada. Luego, hicieron reaccionar estos cristales con otra molécula para crear enlaces entre las moléculas dentro del cristal.
«Le doy mucho crédito a Madison porque se le ocurrió este concepto para formar el polímero entrelazado mecánicamente», dijo Dichtel. «Period una concept de alto riesgo y alta recompensa en la que tuvimos que cuestionar nuestras suposiciones sobre qué tipos de reacciones son posibles en los cristales moleculares».
Los cristales resultantes comprenden capas y capas de láminas de polímero entrelazadas en 2D. Dentro de las láminas de polímero, los extremos de los monómeros en forma de X están unidos a los extremos de otros monómeros en forma de X. Luego, se pasan más monómeros a través de los espacios intermedios. A pesar de su estructura rígida, el polímero es sorprendentemente versatile. El equipo de Dichtel también descubrió que la disolución del polímero en solución provocaba que las capas de monómeros entrelazados se despegaran entre sí.
«Una vez formado el polímero, no hay mucho que mantenga unida la estructura», dijo Dichtel. «Entonces, cuando lo ponemos en solvente, el cristal se disuelve, pero cada capa 2D se mantiene unida. Podemos manipular esas hojas individuales».
Para examinar la estructura a nanoescala, colaboradores de la Universidad de Cornell, dirigidos por el profesor David Muller, utilizaron técnicas de microscopía electrónica de vanguardia. Las imágenes revelaron el alto grado de cristalinidad del polímero, confirmaron su estructura entrelazada e indicaron su alta flexibilidad.
El equipo de Dichtel también descubrió que el nuevo materials se puede producir en grandes cantidades. Los polímeros anteriores que contenían enlaces mecánicos normalmente se preparaban en cantidades muy pequeñas utilizando métodos que probablemente no fueran escalables. El equipo de Dichtel, por otro lado, produjo medio kilogramo de su nuevo materials y supone que son posibles cantidades aún mayores a medida que surjan sus aplicaciones más prometedoras.
Agregar resistencia a los polímeros resistentes
Inspirados por la resistencia inherente del materials, los colaboradores de Dichtel en la Universidad de Duke, dirigidos por el profesor Matthew Becker, lo agregaron a Ultem. Ultem, de la misma familia que el Kevlar, es un materials increíblemente resistente que puede soportar temperaturas extremas, así como productos químicos ácidos y cáusticos. Los investigadores desarrollaron un materials compuesto de 97,5% de fibra Ultem y solo 2,5% de polímero 2D. Ese pequeño porcentaje aumentó dramáticamente la fuerza y dureza normal de Ultem.
Dichtel prevé que el nuevo polímero de su grupo podría tener futuro como materials especializado para chalecos antibalas ligeros y tejidos balísticos.
«Tenemos muchos más análisis por hacer, pero podemos decir que mejora la resistencia de estos materiales compuestos», dijo Dichtel. «Casi todas las propiedades que hemos medido han sido excepcionales de alguna manera».
Lleno de historia del noroeste
Los autores dedicaron el artículo a la memoria del ex químico de Northwestern, Sir Fraser Stoddart, quien introdujo el concepto de enlaces mecánicos en la década de 1980. En última instancia, transformó estos enlaces en máquinas moleculares que cambian, rotan, se contraen y se expanden de manera controlable. Stoddart, que falleció el mes pasado, recibió el Premio Nobel de Química 2016 por este trabajo.
«Las moléculas no se entrelazan entre sí por sí solas, por lo que Fraser desarrolló formas ingeniosas de crear plantillas de estructuras entrelazadas», dijo Dichtel, investigador postdoctoral en el laboratorio de Stoddart en UCLA. «Pero incluso estos métodos no han llegado a ser lo suficientemente prácticos como para usarlos en moléculas grandes como los polímeros. En nuestro trabajo precise, las moléculas se mantienen firmemente en su lugar en un cristal, que moldea la formación de un enlace mecánico alrededor de cada una.
«Por lo tanto, estos enlaces mecánicos tienen una profunda tradición en Northwestern y estamos entusiasmados de explorar sus posibilidades en formas que aún no han sido posibles».
El estudio, «Polímeros bidimensionales entrelazados mecánicamente», fue apoyado principalmente por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (número de contrato HR00112320041) y el IIN (Programa Ryan Fellows) de Northwestern.
