O novo material é un polímero bidimensional, feito de melamina , que se autoensambla en láminas, a diferenza de todos os demais polímeros, que forman cadeas unidimensionais en forma de espaguete. Ata agora, os científicos crían que era imposible inducir os polímeros a formar láminas bidimensionais.
Un material deste tipo podería empregarse como revestimento lixeiro e duradeiro para pezas de automóbiles ou teléfonos móbiles, ou como material de construción para pontes ou outras estruturas, afirma Michael Strano, profesor de Enxeñaría Química Carbon P. Dubbs no MIT e autor principal do novo estudo.
«Normalmente non pensamos nos plásticos como algo que se poida usar para soportar un edificio, pero con este material pódense facer realidade cousas novas», afirma. «Ten propiedades moi pouco comúns e iso entusiasmanos moito».
Os investigadores solicitaron dúas patentes sobre o proceso que empregaron para xerar o material, que describen nun artigo que aparece hoxe en Nature . O posdoutoral do MIT Yuwen Zeng é o autor principal do estudo.
Dúas dimensións
Os polímeros, que inclúen todos os plásticos, constan de cadeas de bloques de construción chamados monómeros. Estas cadeas medran engadindo novas moléculas aos seus extremos. Unha vez formados, os polímeros pódense dar forma a obxectos tridimensionais, como botellas de auga, mediante moldeo por inxección.
Os científicos de polímeros levan moito tempo formulando a hipótese de que, se se puidese inducir os polímeros a crecer ata converterse nunha lámina bidimensional, deberían formar materiais extremadamente fortes e lixeiros. Non obstante, moitas décadas de traballo neste campo levaron á conclusión de que era imposible crear tales láminas. Unha das razóns para isto foi que se só un monómero xira cara arriba ou cara abaixo, fóra do plano da lámina en crecemento, o material comezará a expandirse en tres dimensións e a estrutura laminar perderase.
Non obstante, no novo estudo, Strano e os seus colegas idearon un novo proceso de polimerización que lles permite xerar unha lámina bidimensional chamada poliaramida. Para os bloques de construción dos monómeros, empregan un composto chamado melamina, que contén un anel de átomos de carbono e nitróxeno. Nas condicións axeitadas, estes monómeros poden crecer en dúas dimensións, formando discos. Estes discos apílanse uns enriba dos outros, unidos por pontes de hidróxeno entre as capas, o que fai que a estrutura sexa moi estable e forte.
«En lugar de crear unha molécula semellante a un espaguete, podemos crear un plano molecular semellante a unha lámina, onde conseguimos que as moléculas se enganchen entre si en dúas dimensións», afirma Strano. «Este mecanismo ocorre espontaneamente en solución e, despois de sintetizar o material, podemos aplicar facilmente o método de centrifugación a películas delgadas que son extraordinariamente fortes».
Dado que o material se autoensambla en solución, pódese fabricar en grandes cantidades simplemente aumentando a cantidade dos materiais de partida. Os investigadores demostraron que podían recubrir superficies con películas do material, ao que chaman 2DPA-1.
«Con este avance, temos moléculas planas que serán moito máis fáciles de transformar nun material moi forte, pero extremadamente delgado», di Strano.
Lixeiro pero forte
Os investigadores descubriron que o módulo elástico do novo material (unha medida da forza necesaria para deformar un material) é entre catro e seis veces maior que o do vidro a proba de balas. Tamén descubriron que o seu límite elástico, ou a forza necesaria para romper o material, é o dobre que o do aceiro, mesmo que o material só teña aproximadamente unha sexta parte da densidade do aceiro.
Outra característica clave do 2DPA-1 é que é impermeable aos gases. Mentres que outros polímeros están feitos de cadeas enroladas con ocos que permiten que os gases se filtren a través deles, o novo material está feito de monómeros que se enganchan como os LEGO, e as moléculas non poden pasar entre eles.
«Isto podería permitirnos crear revestimentos ultrafinos que impidan por completo o paso da auga ou dos gases», afirma Strano. «Este tipo de revestimento de barreira podería empregarse para protexer o metal dos coches e outros vehículos, ou das estruturas de aceiro».
Strano e os seus estudantes están a estudar agora con máis detalle como este polímero en particular é capaz de formar láminas bidimensionais e están a experimentar coa modificación da súa composición molecular para crear outros tipos de materiais novos.
A investigación foi financiada polo Centro para o Transporte Nanofluídico Mellorado (CENT), un Centro de Investigación de Fronteira Enerxética patrocinado pola Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos e o Laboratorio de Investigación do Exército.
Contacto de noticias:
E-mail: [protexido por correo electrónico]
Tel: + 86-28-8411-1861