En una notable hazaña de la química, un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado el primer material bidimensional (2D) unido mecánicamente.
Parecidos a los eslabones entrelazados de una cota de malla, los materiales a nanoescala exhiben una flexibilidad y resistencia extraordinarias. Con más trabajo, es prometedor para su uso en chalecos antibalas ligeros y de alto rendimiento y otras aplicaciones que exigen materiales ligeros, flexibles y resistentes. hacer
La revista se publica el viernes (17 de enero). Cienciael estudio marca varias primicias en el campo. No sólo es el primer polímero 2D reticulado mecánicamente, sino que el nuevo material también contiene 100 billones de enlaces mecánicos por centímetro cuadrado, la mayor densidad de enlaces mecánicos jamás alcanzada. Los investigadores desarrollaron el material utilizando un proceso de polimerización nuevo, altamente eficiente y escalable.
“Creamos una estructura polimérica completamente nueva”, dijo William Duchtel de Northwestern, autor correspondiente del estudio. “Es como una cota de malla en el sentido de que no se rompe fácilmente porque cada unión mecánica tiene un poco de libertad para deslizarse. Si tiras de ella, puede dispersar la fuerza aplicada en múltiples direcciones. Y si quieres romperla, tienes romperlo en muchos lugares diferentes.
Duchtel 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. Trainnes para la Sostenibilidad y la Energía. Madison Bardot, candidata a doctorado en el laboratorio de Dichtel y becaria IIN Ryan, es la primera autora del estudio.
Inventando un nuevo proceso
Durante años, los investigadores han intentado crear moléculas que se unan mecánicamente a los polímeros, pero les ha resultado casi imposible conseguir que los polímeros formen enlaces mecánicos.
Para superar este desafío, el equipo de Dichtel adoptó un enfoque completamente nuevo. Comenzaron con monómeros en forma de X (los componentes básicos de los polímeros) y los organizaron en una estructura cristalina específica y altamente ordenada. Luego, hicieron reaccionar estos cristales con otra molécula para formar enlaces entre las moléculas dentro del cristal.
“Le doy mucho crédito a Madison porque se le ocurrió este concepto para crear polímeros reticulados mecánicamente”, dijo Duchtel. “Era una idea 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 constan de capas y capas de láminas de polímero interconectadas en 2D. Dentro de las láminas de polímero, los extremos de los monómeros en forma de X están conectados a los extremos de otros monómeros en forma de X. A continuación, se pasan más monómeros a través de los intersticios. A pesar de su estructura rígida, el polímero es sorprendentemente flexible. El equipo de Dichtel también descubrió que disolver el polímero en solución hace que las capas de monómeros interconectados se despeguen entre sí.
“Una vez que se forma el polímero, no hay mucho que mantenga unida la estructura”, dijo Dichtel. “Entonces, cuando lo ponemos en un solvente, el cristal se disuelve, pero cada capa 2D permanece unida. Podemos conectar estas hojas individuales”.
Para examinar la estructura a nanoescala, colegas de la Universidad de Cornell, dirigidos por el profesor David Mueller, utilizaron técnicas de microscopía electrónica de última generación. Las imágenes revelaron el alto grado de cristalinidad del polímero, confirmando su estructura interconectada e indicando su alta flexibilidad.
El equipo de Dichtel también descubrió que el nuevo material podría producirse en grandes cantidades. Los polímeros anteriores que contenían enlaces mecánicos generalmente se producían en cantidades muy pequeñas utilizando métodos que probablemente no fueran escalables. El equipo de Dichtel, por el contrario, produjo medio kilogramo de su nuevo material y supuso que serían posibles cantidades aún mayores a medida que surgieran sus aplicaciones más prometedoras.
Agregar resistencia a los polímeros rígidos
Impresionados por la resistencia inherente del material, los colegas de Dichtel en la Universidad de Duke, dirigidos por el profesor Matthew Baker, lo agregaron a Ultem. Ultem, de la misma familia que el Kevlar, es un material increíblemente resistente que puede soportar temperaturas extremas, así como ácidos y productos químicos cáusticos. Los investigadores produjeron un material compuesto de 97,5% de fibra ultim y solo 2,5% de polímero 2D. Este pequeño porcentaje aumentó drásticamente la resistencia y rigidez generales de Ultium.
Dichtel imagina que el nuevo polímero de su grupo puede tener futuro como material especializado para chalecos antibalas ligeros y ropa balística.
“Tenemos muchos 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 una forma u otra”.
El noroeste está lleno de historia.
Los autores dedican este artículo a la memoria del químico de Northwestern Sir Fraser Stoddart, quien introdujo el concepto de enlaces mecánicos en la década de 1980. En última instancia, describió estos enlaces como máquinas moleculares que cambian, rotan, se contraen y se expanden de manera controlable. Stoddart, que murió el mes pasado, recibió el Premio Nobel de Química 2016 por este trabajo.
“Las moléculas no se construyen simplemente unas a través de otras, por lo que Fraser ha desarrollado formas ingeniosas de crear modelos de estructuras interconectadas”, dijo Duchtel, investigador postdoctoral en el laboratorio de Stoddart en UCLA. “Pero incluso estos métodos no han llegado a ser lo suficientemente prácticos para su uso en moléculas grandes como los polímeros. En nuestro trabajo actual, las moléculas se mantienen firmemente en su lugar en un solo cristal, que mecánicamente se rodea entre sí. Forma un patrón de formación de enlaces. .
“Entonces, estos enlaces mecánicos tienen una profunda tradición en el Noroeste y estamos entusiasmados de explorar su potencial en formas que aún no han sido posibles”.
El estudio, “Polímeros bidimensionales reticulados mecánicamente”, fue apoyado principalmente por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (Contrato No. HR00112320041) y el IIN (Programa Ryan Fellows) de Northwestern.
