El nuevo material ultrafino que es mucho más fuerte que el acero

Los investigadores han creado un nuevo tipo de material varias veces más duro que el acero y fácil de moldear. Su uso puede revolucionar el diseño y reparación de componentes para baterías

Un equipo de investigadores acaba de crear un nuevo material ultrafino que es mucho más resistente que el acero. Sus aplicaciones son enormes, desde nuevos componentes para baterías a la producción y reparación de piezas de cerámica y metal a baja temperatura.

Los materiales 2D, o materiales monocapa, están incluídos entre los más duros de nuestro planeta. Estos sólidos cristalinos, formados por una sola capa de átomos, son muy prometedores por sus propiedades mecánicas y son objeto de muchos estudios científicos. Sin embargo, cuando estos materiales se aplican en capas pierden la mayoría de sus beneficios.

“Piense en un lápiz de grafito”, explica Teng Li, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Maryland (UMD) y coautor del descubrimiento. “Su núcleo está hecho de grafito y el grafito está compuesto de muchas capas de grafeno, que se ha descubierto que es el material más resistente del mundo. Sin embargo, un lápiz de grafito no es fuerte en absoluto, de hecho, el grafito se utiliza incluso como lubricante”.

Los investigadores han encontrado una manera de solucionar este problema modificando cuidadosamente la estructura molecular de polímeros 2D, los llamados marcos orgánicos covalentes (COF). “Es un punto de partida muy interesante”, afirma Jun Lou, catedrático de Ciencia de los Materiales y Nanoingeniería de la Universidad Rice y director del equipo que ha publicado sus resultados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cómo lo han conseguido

El equipo echó mano de simulaciones por ordenador para estudiar posibles disposiciones moleculares del material. Diseñaron dos COF que tenían estructuras ligeramente diferentes y a continuación estudiaron cómo se comportan cuando se apilan en capas.

Los resultados fueron muy reveladores. El primer COF, explican, se comportó como la mayoría de los materiales 2D y tanto su resistencia como su elasticidad se vio reducida a medida que se le iban añadiendo más capas. El segundo COF, por el contrario, mostró “una fuerte interacción entre capas y conserva sus buenas propiedades mecánicas incluso cuando se le añaden múltiples capas”, explica Qiyi Fang, doctorando de la Universidad Rice y coautor del artículo.

Los investigadores piensan que lo más probable es que esta diferencia de comportamiento se deba a cómo actúan los enlaces de hidrógeno. “Según nuestras simulaciones, las fuertes interacciones entre capas del segundo tipo de COF son el resultado de una unión de hidrógeno significativamente mayor entre sus grupos funcionales especiales”, explica Zhengqian Pang, otro de los autores del artículo e investigador posdoctoral de la UMD.

Para qué sirve este descubrimiento

Las aplicaciones potenciales de un descubrimiento así son muchas. “Podrían ser excelentes membranas de filtración”, afirma Lou. “Para un sistema de filtración, la estructura del grupo funcional en el poro será muy importante. Cuando, por ejemplo, el agua sucia atraviesa una membrana de COF, el grupo funcional del poro sólo captura las impurezas y deja pasar la molécula deseada. En este proceso, la integridad mecánica de esa membrana será muy importante. Ahora tenemos una forma de diseñar polímeros 2D multicapa muy fuertes y resistentes a las fracturas que podrían ser muy buenos candidatos para aplicaciones de filtración por membrana”.

Otra aplicación potencial, dice el investigador, es la mejora de las baterías. “Sustituir el ánodo de grafito por uno de silicio aumentaría enormemente la capacidad de almacenamiento de las actuales tecnologías de baterías de iones de litio”, afirma.

También podrían servir para diseñar una amplia gama de materiales, como la cerámica y los metales, a temperaturas mucho más bajas de lo habitual. Según Li, la cerámica, por ejemplo, depende de enlaces iónicos que se forman a temperaturas muy elevadas, razón por la cual una taza de café rota no puede arreglarse fácilmente. El investigador asegura que los metales se forjan a altas temperaturas, pero con estos ajustes moleculares podrían fabricarse y repararse a temperaturas mucho menores.

Fuente: elconfidencial.com