Un nuevo material supergelatinoso que soporta el peso de un coche en movimiento

Un grupo de investigadores de la Universidad de Cambrigde ha desarrollado un material gelatinoso capaz de soportar el peso de un elefante sobre él y recuperar por completo su forma original. Esta super gelatina (“super jelly”) tiene un 80% de agua.

El equipo de científicos han creado un material con la apariencia y el tacto de una gelatina muy blanda, pero que actúa como un vidrio ultraduro e irrompible cuando es fuertemente comprimido. El 20 % del material que no es agua se compone de una red de polímeros que se mantienen unidos mediante interacciones reversibles on/off que controlan las propiedades mecánicas del material. Es decir, las propiedades de este material cambian a medida que se activan o desactivan las interacciones. La forma en la que se comportan los materiales dependen de su estructura molecular. La nueva super gelatina es un hidrogel, que no son más que polímeros hidrofílicos con unas propiedades concretas. Un hidrogel está formado por una red tridimensional de cadenas flexibles, constituida por unos elementos conectados de una forma concreta e hinchada por un líquido. Sus interesantes propiedades lo han convertido en un tema de investigación bastante popular en los últimos años. Estos materiales inteligentes suelen ser duros y autorreparantes, pero hasta ahora era un verdadero desafío el lograr variantes capaces de resistir grandes compresiones sin sufrir aplastamiento. Las propiedades macroscópicas de cualquier sustancia provienen de sus propiedades microscópicas: su estructura molecular y la forma en que interactúan sus moléculas. Debido a la estructura interna de los hidrogeles, es extremadamente raro obtener materiales de este tipo que muestren a la par flexibilidad y fuerza. Las aplicaciones de los hidrogeles abarca un amplio abanico, desde lentillas hasta robótica.

Calabazas moleculares

CB
Créditos: Khaleel I. Assaf y Werner M. Nau, 'Cucurbiturils: from synthesis to high-affinity binding and catalysis', Chemical Society Reviews, 2015, 44, 394-418.

El equipo trabajó con unas moléculas en forma de barril llamadas cucurbiturilos. Son moléculas macrocíclicas compuestas por monómeros de glicolurilo unidos por puentes de metileno. Hay átomos de oxígeno que se ubican a lo largo de los bordes de la banda y se inclinan hacia dentro, formando una cavidad parcialmente cerrada. El nombre procede de su parecido con una calabaza de la familia de las cucurbitáceas. Hay otros tipos de moléculas que también se comportan como cápsulas: ciclodextrinas, calixarenos y pillararenos. Fue el químico orgánico alemán Robert Behrend quien sintetizó por primera vez los cucurbiturilos en 1905, a partir de la condensación de glicolurilo con formaldehído. A pesar de ello, su es estructura no fue desvelada hasta 1981. Ya en el año 2000 Kim Kimoon consiguió sintetizar CB5, B7 y CB8. El número indica la cantidad de unidades de gliclolurilo.

Los científicos del estudio usaron cucurbit[8]urilo, es decir, CB8. Aprovecharon la forma de los cucurbiturilos para albergar dos moléculas huésped en su interior. De alguna manera hacen la labor de esposas, para mantener unidas dos moléculas separadas en la red. Lograron diseñar un CB8 con una cinética de disociación lenta. Es decir, las moléculas huésped diseñadas por el equipo de científicos permanecen dentro de la cavidad durante más tiempo de lo habitual, lo que mantiene la red de polímeros estrechamente unida y así resistir la compresión. En general, los investigadores lo describen como “ralentizar” la dinámica del material, por lo que su rendimiento puede variar desde un estado similar al caucho hasta un estado similar al vidrio.

Un equipo entusiasmado

Proceso
Se introdujo el hidrogel entre dos placas metálicas y se pasó con un coche hasta 16 veces. Se mantuvo intacto. Fuente: artículo original.

El artículo Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks fue publicado el 25 de noviembre de 2021 en Nature Materials, por varios autores. El resultado: un material que soporta un peso de 4000 kg, una presión de cien millones de pascales y que recupera su forma en menos de dos minutos. El artículo viene acompañado de fotografías en las que se muestran situaciones de estrés a las que se ha sometido el material. Se llegó a pasar hasta 16 veces por encima de una muestra de super jelly y recuperó luego su forma sin fracturas.

"Para fabricar materiales con las propiedades mecánicas que deseamos, se utilizan reticuladores, en los que dos moléculas se unen a través de un enlace químico", afirmó el Dr. Zehuan Huang del Departamento de Química de Yusuf Hamied, primer autor del estudio. "Usamos reticuladores reversibles para hacer hidrogeles suaves e hidrogeles elásticos, pero hacer un hidrogel duro y compresible es difícil y diseñar un material con estas propiedades es completamente contraintuitivo". Huang afirma que están abriendo un nuevo campo de los materiales blandos de alto rendimiento.

"Con un 80% de contenido de agua, puede pensarse que se rompería como un globo de agua, pero no fue así: permanece intacto y soporta enormes fuerzas de compresión", afirma Oren A. Scherman, Director del Laboratorio Melville de Síntesis de Polímeros de la Universidad de Cambridge.

"La forma en que el hidrogel puede resistir la compresión fue sorprendente, no se parecía a nada de lo que hemos visto en los hidrogeles", dijo Dr. Jade McCune, coautor del artículo. "También descubrimos que la resistencia a la compresión se podía controlar fácilmente con solo cambiar la estructura química de la molécula huésped del interior".

Hacia la era de los robots flexibles

Esta super gelatina desarrollada en la Universidad de Cambridge podría usarse usarse una amplia gama de aplicaciones: bioelectrónica, reemplazo biomédico de cartílago para uso biomédico, etc. También sería útil para el monitoreo en tiempo real de los movimientos corporales, como estar quieto, en movimiento o saltando. Es posible que en pocos años forme parte de nuestra vida cotidiana. Tal vez una de las las puestas en práctica de este material con más futuro sea en el campo de los robots flexibles, toda un área que está creciendo con más rapidez de lo que es posible seguir. Lo llaman robótica blanda y es mucho más que un mero entretenimiento, ciencia ficción o un juego de niños.

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Soy físico de formación, aunque me interesan todas las disciplinas científicas. He escrito varios libros de divulgación científica y me encanta la Historia de la Ciencia.

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