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El MIT desarrolla un plástico más fuerte que el acero


14/02/2022

Mediante un proceso de polimerización novedoso, los ingenieros químicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han creado un nuevo material que es más fuerte que el acero y tan ligero como el plástico.

Imagen: MIT.

El nuevo material, que puede fabricarse en grandes cantidades, es un polímero bidimensional que se autoensambla en láminas, a diferencia de todos los demás polímeros, que forman cadenas unidimensionales similares a espaguetis. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir polímeros para formar láminas 2D.

Según sus desarrolladores, el nuevo material podría usarse como un recubrimiento liviano y duradero para piezas de automóviles o teléfonos móviles. También, como material de construcción para puentes u otras estructuras.

Como explica Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal del estudio acerca del nuevo material, Normalmente no pensamos en los plásticos como algo que podrías usar para sostener un edificio; pero con este material, puedes habilitar cosas nueva. Tiene propiedades muy inusuales y estamos muy entusiasmados.

Los investigadores han solicitado dos patentes sobre el proceso que utilizaron para generar el material, que describen en un artículo publicado en la revista Nature. El postdoctorado del MIT, Yuwen Zeng, es el autor principal del estudio.

Dos dimensiones

Los polímeros consisten en cadenas de bloques de construcción llamados monómeros. Estas cadenas crecen añadiendo nuevas moléculas en sus extremos. Una vez formados, los polímeros se pueden moldear en objetos tridimensionales, como botellas de agua, 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 láminas.

Ahora, sin embargo, a partir del nuevo estudio, se ha logrado un nuevo proceso de polimerización que 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 unan 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, dice Strano.

Propiedades: resistencia y ligereza

Los investigadores encontraron que el módulo elástico del nuevo material, una medida de cuánta fuerza se necesita para deformarlo, es entre cuatro y seis veces mayor que el del vidrio a prueba de balas. También descubrieron que su límite elástico, o la fuerza necesaria para romper el material, es el doble que el del acero; aunque el material tiene solo una sexta parte de la densidad de dicho metal.

Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, dice que la nueva técnica encarna una química muy creativa para hacer estos polímeros 2D.

Un aspecto importante de estos nuevos polímeros es que son fácilmente procesables en solución. Esto facilitará numerosas aplicaciones nuevas en las que es importante una alta relación resistencia/peso, como los nuevos materiales compuestos o de barrera de difusión, apunta Tirrell.

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 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 equipo de Strano trabaja para conocer cómo este polímero puede formar láminas 2D, y están experimentando con el cambio de su composición molecular para crear otros tipos de materiales novedosos.

La investigación fue financiada por el Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un Centro de Investigación de la Frontera Energética patrocinado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.; y por el Laboratorio de I+D del Ejército.

*Para más información: https://news.mit.edu/2022/polymer-lightweight-material-2d-0202

MundoPlast

14.02.2022

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