Científicos crean nuevo material cinco veces más ligero y cuatro veces más fuerte que el acero
Bruno I. Scollo
Los materiales que poseen tanto resistencia como ligereza tienen el potencial de mejorar todo, desde automóviles hasta chalecos antibalas. Pero por lo general, las dos cualidades son mutuamente excluyentes. Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Connecticut , junto con sus colaboradores, ahora han creado un material increíblemente fuerte pero liviano. Sorprendentemente, lograron esto utilizando dos bloques de construcción inesperados: ADN y vidrio.
“Para la densidad dada, nuestro material es el más fuerte conocido”, dice Seok-Woo Lee, científico de materiales de UConn. Lee y sus colegas de UConn, la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional de Brookhaven informan los detalles el 19 de julio en Cell Reports Physical Science.
La fuerza es relativa. El hierro, por ejemplo, puede soportar 7 toneladas de presión por centímetro cuadrado. Pero también es muy denso y pesado, con un peso de 7,8 gramos/centímetro cúbico. Otros metales, como el titanio, son más fuertes y livianos que el hierro. Y ciertas aleaciones que combinan múltiples elementos son aún más fuertes. Los materiales fuertes y livianos han permitido la creación de chalecos antibalas livianos, mejores dispositivos médicos y han hecho que los automóviles y aviones sean más seguros y rápidos.
La forma más sencilla de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico, por ejemplo, no es agrandar la batería, sino hacer que el vehículo sea más ligero sin sacrificar la seguridad y la vida útil. Pero las técnicas metalúrgicas tradicionales han llegado a un límite en los últimos años, y los científicos de materiales han tenido que volverse aún más creativos para desarrollar nuevos materiales livianos de alta resistencia.
Ahora, Lee y sus colegas informan que al construir una estructura de ADN y luego recubrirla con vidrio, han creado un material muy fuerte con una densidad muy baja. El vidrio puede parecer una elección sorprendente, ya que se rompe fácilmente. Sin embargo, el vidrio generalmente se rompe debido a una falla, como una grieta, un rasguño o la falta de átomos, en su estructura. Un centímetro cúbico impecable de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión, más de tres veces la presión que implosionó el sumergible Oceangate Titan cerca del Titanic el mes pasado.
Es muy difícil crear una gran pieza de vidrio sin fallas. Pero los investigadores sabían cómo hacer piezas impecables muy pequeñas. Siempre que el vidrio tenga menos de un micrómetro de espesor, casi siempre es impecable. Y dado que la densidad del vidrio es mucho más baja que la de los metales y la cerámica, cualquier estructura hecha de vidrio de tamaño nanométrico impecable debe ser fuerte y liviana.
El equipo creó una estructura de ADN autoensamblado. Trozos de ADN de longitudes y químicas específicas se unieron en un esqueleto del material. Imagina el armazón de una casa o edificio, pero hecho de ADN.
Oleg Gang y Aaron Mickelson, científicos de nanomateriales de la Universidad de Columbia y del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven, recubrieron el ADN con una capa muy delgada de material similar al vidrio de solo unos cientos de átomos de espesor. El vidrio solo cubrió las hebras de ADN, dejando una gran parte del volumen material como espacio vacío, muy parecido a las habitaciones dentro de una casa o edificio.
El esqueleto de ADN reforzaba la fina e impecable capa de vidrio, lo que hacía que el material fuera muy resistente, y los vacíos que constituían la mayor parte del volumen del material lo hacían ligero. Como resultado, las estructuras de nanorrejilla de vidrio tienen una resistencia cuatro veces mayor pero una densidad cinco veces menor que el acero. Esta combinación inusual de ligereza y alta resistencia nunca se había logrado antes.
“La capacidad de crear nanomateriales de estructura 3D diseñados utilizando ADN y mineralizarlos abre enormes oportunidades para la ingeniería de propiedades mecánicas. Pero aún se necesita mucho trabajo de investigación antes de que podamos emplearlo como tecnología”, dice Gang.
El equipo está trabajando actualmente con la misma estructura de ADN, pero sustituyendo el vidrio por cerámicas de carburo aún más fuertes. Tienen planes de experimentar con diferentes estructuras de ADN para ver cuál hace que el material sea más fuerte. Los futuros materiales basados en este mismo concepto son muy prometedores como materiales de ahorro de energía para vehículos y otros dispositivos que priorizan la resistencia. Lee cree que la nanoarquitectura de origami de ADN abrirá un nuevo camino para crear materiales más livianos y fuertes que nunca antes habíamos imaginado.
“Soy un gran admirador de las películas de Iron Man y siempre me he preguntado cómo crear una mejor armadura para Iron Man. Debe ser muy ligero para que vuele más rápido. Debe ser muy fuerte para protegerlo de los ataques de los enemigos. Nuestro nuevo material es cinco veces más ligero pero cuatro veces más fuerte que el acero. Por lo tanto, nuestras nanoredes de vidrio serían mucho mejores que cualquier otro material estructural para crear una armadura mejorada para Iron Man”.
Fuentes:
"Sílice de nanoarquitectura liviana y de alta resistencia" por Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee y Oleg Gang, 27 de junio de 2023, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
