Un equipo de investigadores del MIT han desarrollado una película de polímero liviana que es casi impenetrable para las moléculas de gas, lo que aumenta la posibilidad de que pueda usarse como revestimiento protector para evitar la corrosión de las células solares y otras infraestructuras, y para retrasar el envejecimiento de alimentos y medicamentos envasados.
El desarrollo de una nueva película de polímero ligero
El polímero, que puede aplicarse como una película de tan solo nanómetros de espesor, repele completamente el nitrógeno y otros gases, según lo detectan los equipos de laboratorio, descubrieron los investigadores. Este grado de impermeabilidad nunca antes visto en ningún polímero, rivaliza con la impermeabilidad de materiales cristalinos de espesor molecular reducido, como el grafeno.
Nuestro polímero es bastante inusual. Obviamente, se produce a partir de una reacción de polimerización en fase de solución, pero el producto se comporta como el grafeno, que es impermeable a los gases gracias a su cristal perfecto. Sin embargo, al examinar este material, nunca se lo confundiría con un cristal perfecto, afirma Michael Strano, profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT.
La película de polímero, que los investigadores describen hoy en Nature , se fabrica mediante un proceso que puede ampliarse a grandes cantidades y aplicarse a superficies mucho más fácilmente que el grafeno.
Strano y Scott Bunch, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Boston, son los autores principales del nuevo estudio. Los autores principales del artículo son Cody Ritt, exinvestigador posdoctoral del MIT y actual profesor adjunto en la Universidad de Colorado en Boulder; Michelle Quien, estudiante de posgrado del MIT; y Zitang Wei, investigador científico del MIT.
El laboratorio de Strano informó por primera vez sobre el novedoso material —un polímero bidimensional llamado poliaramida 2D que se autoensambla en láminas moleculares mediante enlaces de hidrógeno— en 2022. Para crear estas láminas de polímero 2D, algo nunca antes logrado, los investigadores utilizaron un componente básico llamado melamina, que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. En las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden expandirse en dos dimensiones, formando discos de tamaño nanométrico. Estos discos se apilan uno sobre otro, unidos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que confiere a la estructura una gran estabilidad y resistencia.
Ese polímero, que los investigadores llaman 2DPA-1, es más fuerte que el acero pero tiene sólo una sexta parte de la densidad del acero.
En su estudio de 2022, los investigadores se centraron en probar la resistencia del material, pero también realizaron estudios preliminares sobre su permeabilidad a los gases. Para estos estudios, crearon «burbujas» a partir de las películas y las llenaron de gas. Con la mayoría de los polímeros, como los plásticos, el gas atrapado en su interior se filtra a través del material, provocando que la burbuja se desinfle rápidamente.
Sin embargo, los investigadores descubrieron que las burbujas de 2DPA-1 no colapsaban; de hecho, las burbujas que crearon en 2021 siguen infladas. «Al principio me sorprendió bastante», afirma Ritt. «El comportamiento de las burbujas no seguía el esperado para un polímero permeable típico. Esto nos obligó a replantearnos cómo estudiar y comprender adecuadamente el transporte molecular a través de este nuevo material».
“Realizamos una serie de experimentos minuciosos para demostrar primero que el material es molecularmente impermeable al nitrógeno”, dice Strano. “Podría considerarse un trabajo tedioso. Tuvimos que crear microburbujas del polímero y llenarlas con un gas puro como el nitrógeno, y luego esperar. Tuvimos que comprobar repetidamente durante un período de tiempo extremadamente largo que no se colapsaran para poder reportar el valor récord de impermeabilidad”.
Los polímeros tradicionales permiten el paso de gases porque consisten en una maraña de moléculas similares a espaguetis, ligeramente unidas entre sí. Esto deja pequeños espacios entre las hebras. Las moléculas de gas pueden filtrarse a través de estos espacios, razón por la cual los polímeros siempre presentan cierto grado de permeabilidad a los gases.
Sin embargo, el nuevo polímero 2D es esencialmente impermeable debido a la forma en que las capas de discos se adhieren entre sí.
El hecho de que puedan compactarse de forma plana significa que no hay volumen entre los discos bidimensionales, lo cual es inusual. Con otros polímeros, aún hay espacio entre las cadenas unidimensionales, por lo que la mayoría de las películas de polímeros permiten el paso de al menos una pequeña cantidad de gas, afirma Strano.
George Schatz, profesor de química e ingeniería química y biológica en la Universidad Northwestern, describió los resultados como “notables”.
“Normalmente, los polímeros son razonablemente permeables a los gases, pero las poliaramidas informadas en este artículo son órdenes de magnitud menos permeables a la mayoría de los gases en condiciones con relevancia industrial”, afirma Schatz, quien no participó en el estudio.
Además del nitrógeno, los investigadores también expusieron el polímero a helio, argón, oxígeno, metano y hexafluoruro de azufre. Descubrieron que la permeabilidad del 2DPA-1 a estos gases era al menos 1/10.000 mayor que la de cualquier otro polímero existente. Esto lo hace casi tan impermeable como el grafeno, que es completamente impermeable a los gases gracias a su estructura cristalina sin defectos.
Los científicos han estado trabajando en el desarrollo de recubrimientos de grafeno como barrera anticorrosiva en células solares y otros dispositivos. Sin embargo, ampliar la creación de películas de grafeno es difícil, en gran parte porque no se pueden pintar sobre superficies.
“Solo podemos producir grafeno cristalino en porciones muy pequeñas”, dice Strano. “Una pequeña porción de grafeno es molecularmente impermeable, pero no se escala. Se ha intentado aplicarlo con pintura, pero el grafeno no se adhiere a sí mismo, sino que se desliza al ser cortado. Las láminas de grafeno que se mueven entre sí se consideran prácticamente sin fricción”.
Por otro lado, el polímero 2DPA-1 se adhiere fácilmente gracias a los fuertes enlaces de hidrógeno entre los discos estratificados. En este artículo, los investigadores demostraron que una capa de tan solo 60 nanómetros de espesor podría prolongar la vida útil de un cristal de perovskita durante semanas. Las perovskitas son materiales prometedores como células solares económicas y ligeras, pero tienden a degradarse mucho más rápido que los paneles solares de silicio, ampliamente utilizados en la actualidad.
Un recubrimiento de 60 nanómetros prolongó la vida útil de la perovskita a aproximadamente tres semanas, pero un recubrimiento más grueso ofrecería una protección más prolongada, según los investigadores. Las películas también podrían aplicarse a diversas otras estructuras.
Con un revestimiento impermeable como este, se pueden proteger infraestructuras como puentes, edificios, vías férreas, básicamente cualquier cosa expuesta a la intemperie. Vehículos automotrices, aeronaves y embarcaciones también podrían beneficiarse. Cualquier cosa que necesite protección contra la corrosión. La vida útil de alimentos y medicamentos también se puede prolongar con estos materiales, afirma Strano.
La otra aplicación demostrada en este artículo es un resonador a nanoescala, básicamente un pequeño tambor que vibra a una frecuencia específica. Los resonadores más grandes, con tamaños de alrededor de 1 milímetro o menos, se encuentran en los teléfonos celulares, donde permiten que el teléfono capte las bandas de frecuencia que utiliza para transmitir y recibir señales.
“En este artículo, creamos el primer resonador 2D de polímero, algo que se puede hacer con nuestro material gracias a su impermeabilidad y resistencia, como el grafeno”, afirma Strano. “Actualmente, los resonadores de los teléfonos y otros dispositivos de comunicación son grandes, pero se está trabajando para reducirlos mediante nanotecnología. Reducirlos a menos de una micra sería revolucionario. Los teléfonos celulares y otros dispositivos podrían ser más pequeños y reducir el consumo de energía necesario para el procesamiento de señales”.
Los resonadores también se pueden utilizar como sensores para detectar moléculas muy pequeñas, incluidas moléculas de gas.
La investigación fue financiada, en parte, por el Centro para el Transporte Nanofluídico Mejorado-Fase 2, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., así como por la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente y foto: MIT