Los investigadores han desarrollado un método para conservar las propiedades mecánicas de los polímeros 2D denominados estructuras orgánicas covalentes (COF) cuando se apilan en varias capas. Ajustando su estructura molecular, el equipo creó un material liviano que es varias veces más fuerte que el acero, conservando sus propiedades 2D incluso en formas de varias capas. Las aplicaciones potenciales incluyen membranas de filtración y baterías mejoradas. La investigación también podría afectar el diseño de cerámica y metales, lo que podría permitir que se fabriquen y reparen a temperaturas más bajas.
Los científicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Maryland están liderando los esfuerzos para superar una barrera importante.
A pesar de ser reconocida como una de las sustancias más fuertes de la Tierra, utilizar materiales 2D en todo su potencial ha demostrado ser una tarea difícil.
Los materiales 2D, que son más delgados que el papel de cebolla más delgado, han atraído una atención significativa debido a sus notables atributos mecánicos. Sin embargo, estas propiedades desaparecen cuando los materiales se superponen, restringiendo así sus aplicaciones prácticas.
“Piense en un lápiz de grafito”, dice Teng Li, profesor Keystone en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Maryland (UMD). “Su núcleo está hecho de grafito, y el grafito está compuesto por varias capas de grafeno, considerado el material más resistente del mundo. Sin embargo, un lápiz de grafito no es nada fuerte; de hecho, el grafito incluso se usa como lubricante.
Ahora, Li y sus colaboradores de la Universidad Rice y la Universidad de Houston han encontrado una manera de superar esta barrera ajustando cuidadosamente la estructura molecular de los polímeros 2D conocidos como estructuras orgánicas covalentes (COF). Los hallazgos se detallan en un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Es un punto de partida muy emocionante», dijo Jun Lou, profesor de ciencia de los materiales y nanoingeniería en la Universidad de Rice, quien dirigió el equipo de Rice.
Una muestra del material de estructura orgánica covalente que descubrieron los investigadores conserva sus propiedades mecánicas 2D como una pila de varias capas. Crédito: Gustavo Raskosky/Universidad Rice
Usando simulaciones a nivel molecular, los investigadores estudiaron diferentes grupos funcionales, es decir, arreglos de elementos moleculares, y luego diseñaron dos COF con diferencias mínimas en la estructura. Luego estudiaron cómo se comportaban los COF cuando se apilaban en capas. Resultó que las pequeñas diferencias estructurales condujeron a resultados significativamente diferentes.
El primer COF, como la mayoría de los materiales 2D, mostró solo una interacción débil entre las capas, y tanto la fuerza como la elasticidad se agotaron a medida que se agregaban más capas. No es así con el segundo COF, que «muestra una fuerte interacción entre las capas y conserva sus buenas propiedades mecánicas incluso cuando se agregan varias capas», dijo Qiyi Fang, estudiante de doctorado de la Universidad de Rice y coautor principal del artículo de PNAS.
Según los investigadores, este fenómeno probablemente se deba a los enlaces de hidrógeno. «Encontramos en nuestras simulaciones que las fuertes interacciones entre capas en el segundo tipo de COF resultan de los enlaces de hidrógeno significativamente mejorados entre sus grupos funcionales especiales», dijo el coautor Zhengqian Pang, investigador postdoctoral de la UMD y miembro del grupo de investigación de Li.
Aplicando sus hallazgos, el equipo de investigación produjo un material liviano que no solo es varias veces más resistente que el acero, sino que también conserva sus propiedades 2D incluso cuando se apila en varias capas.
Las aplicaciones potenciales son muchas. “Los COF pueden ser excelentes membranas de filtración”, dice Lou de Rice. “Para un sistema de filtración, la estructura del grupo funcional en el poro será muy importante. Dado que tiene, digamos, agua sucia que pasa a través de una membrana COF, el grupo funcional en el poro solo capturará las impurezas y permitirá que pase la molécula deseada. En este proceso, la integridad mecánica de esta membrana será muy importante. Ahora tenemos una forma de diseñar polímeros multicapa 2D muy fuertes y resistentes a las fracturas que podrían ser buenos candidatos para aplicaciones de filtración por membrana”.
“Otra aplicación potencial es la actualización de la batería: reemplazar el ánodo de grafito por uno de silicio aumentaría en gran medida la capacidad de almacenamiento de las tecnologías actuales de baterías de iones de litio”, dijo.
Los conocimientos de la investigación también podrían conducir a avances en el diseño de una amplia gama de materiales, incluidos la cerámica y los metales, dijo Li. La cerámica, por ejemplo, se basa en el enlace iónico que se forma a temperaturas muy altas, por lo que una taza de café rota no se puede arreglar fácilmente. Los metales, igualmente, requieren forjados a altas temperaturas. Con la sintonización molecular explorada por los investigadores, se podrían fabricar y reparar productos similares sin aumentar la temperatura.
“Si bien el contexto inmediato son los materiales 2D, en general, somos pioneros en formas de explotar las propiedades ventajosas de los materiales sin las limitaciones que presentan estos materiales”, dijo Li.
Referencia: «Propiedades mecánicas superiores de las estructuras orgánicas covalentes multicapa habilitadas por el ajuste racional de las interacciones entre las capas moleculares» por Qiyi Fang, Zhengqian Pang, Qing Ai, Yifeng Liu, Tianshu Zhai, Doug Steinbach, Guanhui Gao, Yifan Zhu, Teng Li y Jun Lou, 4 de abril de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2208676120
El estudio fue apoyado por el Acuerdo de Cooperación del Laboratorio de Investigación del Ejército, la Fundación Welch y el Centro de Informática de Investigación Avanzada de Maryland.
