Más ligero que el plástico y más fuerte que el acero

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Realizado por: Ing. Ph.D. Yolanda Reyes, 16 noviembre 2022.

Resumen

En el presente artículo se realiza una revisión de uno de los últimos avances científicos en la búsqueda de nuevos materiales que actualmente se están desarrollando a través de nuevas investigaciones orientadas en la búsqueda de nuevos materiales livianos pero que sean tan resistente como el acero. En este contexto Investigadores del Instituto de Tecnología de la Universidad de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, con sus siglas en inglés: MIT)[1], han conseguido desarrollarun novedoso procedimiento de polimerización, mediante el cual se ha generado un plástico polimérico  Bidimensional 2D llamado 2DPA-1, muy delgado y ligero, pero de una dureza que supera en dos veces a la del acero. Este tipo de material abre las puertas a una nueva generación de revestimientos ultra resistentes para posibles aplicaciones en la industria automotriz, teléfonos móviles o incluso en nuevos materiales de construcción para puentes u otras estructuras; y puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.

Introducción

Las investigaciones y el desarrollo de nuevos tipos de materiales poliméricos imponen la necesidad de contar con un sistema que permita clasificarlos y estudiar sus propiedades. Este sistema se sustenta en las estructuras químicas, el comportamiento frente el calor, las propiedades mecánicas, tipos de aplicaciones, escala de producción, o aún otras características.

Los polímeros sintéticos son materiales ampliamente utilizados en diferentes aplicaciones, con una producción de más de 200 millones de toneladas por año, y normalmente se componen de unidades lineales repetidas. También pueden estar ramificados o entrecruzados irregularmente (figura 1). son macromoléculas orgánicas constituidas por la unión de moléculas más pequeñas denominada monómeros

De acuerdo a la forma de las cadenas macromoleculares los polímeros pueden ser clasificados como: a)Lineales: no tienen ramificaciones, b) Ramificados: todas las moléculas tienen ramificaciones (pequeñas cadenas laterales, c) Entrecruzados: los polímeros poseen estructura tridimensional, donde las cadenas están unidas unas a otras por enlaces laterales.

Figura 1. Clasificación de los polímeros: a) Lineales, b) Ramificados, c) Entrecruzados.

El nuevo material desarrollado por Yuwen Zeng. Et al[1], en el Instituto de Tecnología de Massachussets logra vislumbrar lo que se creía imposible; la polimerización en dos dimensiones. La polimerización es un proceso mediante el cual pequeños átomos llamados «monómeros» se unen, generalmente para formar largas cadenas lineales llamadas polímeros.

Aquí presentamos un polímero bidimensional con periodicidad interna compuesto por unidades repetidas dispuestas en forma de láminas. Esta es una extensión del concepto de polimerización de Staudinger (para formar macromoléculas uniendo covalentemente unidades repetidas), pero en dos dimensiones. Un ejemplo bien conocido de un polímero bidimensional de este tipo es el grafeno, pero su síntesis termolítica impide el diseño molecular bajo demanda. Aquí, hemos sintetizado racionalmente un polímero bidimensional ordenado que no está en equilibrio mucho más allá de las dimensiones moleculares. El procedimiento incluye la cristalización de un monómero fotorreactivo diseñado específicamente en una estructura en capas, un paso de fotopolimerización dentro del cristal y un paso de delaminación inducida por solvente que aísla polímeros bidimensionales individuales como láminas moleculares monocapa independientes.

¿Como se forman estos polímeros 2D?

La clave de la alta resistencia de estos nuevos materiales es el procedimiento; por medio del cual, se producen [2,3].

Hasta ahora los polímeros, entre los que están incluidos todos los plásticos, se han generado formando cadenas unidimensionales formadas por bloques llamados monómeros. Estas cadenas van creciendo cuando se añaden nuevas moléculas en sus extremos y, una vez formadas, se pueden meter en moldes para obtener distintos objetos de plástico, como una botella de agua.

El nuevo material 2DPA-1, es un polímero bidimensional que se auto acopla en bloques de láminas, a diferencia de todos los demás polímeros, que forman cadenas unidimensionales monoméricas. Hasta ahora, los científicos creían que era imposible inducir polímeros para formar láminas 2D.

En condiciones adecuadas, estos bloques son capaces de crecer en dos dimensiones formando discos que se colocan unos sobre otros y que se mantienen unidos gracias a los enlaces de hidrógeno que se forman entre las capas. Esto hace que la estructura no solo sea estable, sino que también dota al material de una fuerza extraordinaria.

 Polimerización bidimensional 2D

Según las investigaciones desarrolladas por estos autores, los polímeros bidimensionales (2D) se obtienen mediante la síntesis química en forma de láminas moleculares, utilizando un precursor oligomérico quiral que contiene dos sitios reactivos, un grupo polimerizable en un extremo y un centro estereogénico reactivo cerca de la mitad de la molécula [2,3]. La reacción produce polímeros 2D en forma de bicapa de peso molecular del orden de millones y un espesor mono disperso de 50,2 angstroms. Las moléculas de polímeros 2D se forman a través del reconocimiento molecular por parte de los oligómeros, que se autoorganizan en capas que colocan los grupos reactivos dentro de planos específicos. Los oligómeros quedan ligados por dos reacciones de unión diferentes que involucran los sitios reactivos. A temperatura ambiente, las pilas de estos objetos moleculares pueden organizarse como monocristales y, a temperaturas más altas, fundirse en cristales líquidos esmécticos. Los experimentos ópticos no lineales revelan que las películas sólidas que contienen polímeros 2D forman estructuras que son térmica y temporalmente más estables que las que contienen polímeros 1D análogos. Esta observación sugiere que la transformación de polímeros comunes de una arquitectura 1D a una 2D puede producir generaciones de materiales orgánicos con propiedades mejoradas.

En lugar de construir una molécula monomérica, se puede hacer un plano molecular en el que se logra que las moléculas se enganchen entre sí en dos dimensiones”, Este mecanismo se produce espontáneamente en la solución y, después de sintetizar el material, puede recubrir con facilidad películas finas que son extraordinariamente resistente.

El equipo descubrió que, en las condiciones adecuadas, los monómeros de la melamina se pueden usar para hacer crecer pequeños discos bidimensionales que se apilan uno encima del otro (como se muestra en la figura 2), con cada capa unida por enlaces de hidrógeno, lo que lo hace extremadamente fuerte y estable. Durante mucho tiempo se pensó que los polímeros formados por láminas bidimensionales podrían usarse para fabricar materiales extremadamente livianos.

Sin embargo, décadas de investigación llevaron a la conclusión de que esto era imposible, en parte debido a que solo se necesita que un monómero se salga del plano de crecimiento de la hoja para que todo pierda su forma deseada. Sin embargo, hoy en día gracias a los estudios de estos investigadores estos polímeros bidimensionales se auto acoplan por lo que se puede producir fácilmente en grandes cantidades simplemente aumentando las cantidades de los reactivos iniciales.

Figura 2. a) Vista de la sección transversal de una estructura de capas entrelazadas con enlaces de hidrógeno propuesta. En el recuadro se muestra un primer plano de los enlaces de hidrógeno entre capas. b) Imagen imagen de microscopía de fuerza atómica de alta resolución de la película del polímero 2D. [1].

El nuevo material, llamado 2DPA-1, se conoce como película de poliaramida y se puede utilizar para recubrir otros materiales. A diferencia de otros polímeros, cuyas cadenas enrolladas de monómeros dejan espacios entre ellos que permiten que los gases se filtren, los monómeros de 2DPA-1 se unen estrechamente como ladrillos, haciéndolos bastante impermeables; lo cual, permitiría crear revestimientos ultrafinos que impidan por completo el paso del agua o los gases.

Una fuerte conjugación amida-aromática inhibe la rotación fuera del plano; mientras tanto, el enlace de hidrógeno entre capas […] puede permitir que los discos en crecimiento absorban los monómeros de la solución y los moldeen automáticamente en superficies 2D”, En la figura 3 se aprecia la imagen de la conjugación fuerte; la cual, hace energéticamente más favorable para que los discos moleculares se unan en el mismo lugar.

Figura 3. Las conjugaciones de enlace-núcleo inhiben la rotación fuera del plano.[1]

Conclusión

Este nuevo descubrimiento representa un gran aporte en el desarrollo de nuevos materiales y constituye una tecnología avanzada de una forma extraordinaria, mediante la experimentación a través de la innovación de con nuevos componentes o materiales. La innovación sigue impulsando al creciente campo de la ciencia de materiales, que en los últimos tiempos ha dilucidado descubrimientos como los plásticos más duros que el kevlar o un polímero basado en laminas bidimensionales más resistente que el acero.

Referencias bibliográficas

[1] Yuwen Zeng. et al. An Irreversible Synthetic Route to an Ultra-Strong Two-Dimensional  Polymer. Nature chemistry 4,. 287-291, doi:10.1038/nchem.1265 (2012) …

[2] Bresler, S., Judin, M. & Talmud, D. Mechanical properties of monolayers obtained by two-dimensional polymerization and condensation. Acta Phys. Chim. URSS XIV, 71–84 (1941).

[3] Stupp, S. I., Son, S., Lin, H. C. & Li, L. S. Synthesis of two-dimensional polymers. Science 259, 59–63 (1993).

Acerca del Autor.

Ph.D, en Electroquímica y Corrosión, con más de 30 años de experiencia y un amplio y versátil conocimiento en Ciencias de la Corrosión y Tecnología Química a nivel Académico e Industrial. Asesor de planes de programas de mantenimiento en la industria en empresas petroleras, al frente de obras de servicios de limpiezas químicas y mecánicas de equipos tales como: calderas, tanques, intercambiadores de calor entre otros. leer mas

Respuestas

  1. ¡Importante y novedoso hallazgo! La tendencia actual de la ciencia es desarrollar nuevos
    materiales que a futuro puedan sustituir a los actuales por mejoras en sus especificaciones. Todos
    estos procesos llevan años de investigaciones; las cuales, generan grandes inversiones.
    El costo beneficio, de la producción de este tipo de materiales será el factor primordial que
    indicará que tan factible sería su utilización a futuro.

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