Fuerte como el cristal

25 de julio de 2023 | Kim Krieger - Comunicaciones de UConn

Al construir una estructura a partir de ADN y luego recubrirla con vidrio, los investigadores han creado un material muy resistente con muy baja densidad.

(Imágenes falsas)

Los materiales que sean resistentes y livianos podrían mejorar todo, desde automóviles hasta chalecos antibalas. Pero normalmente las dos cualidades son mutuamente excluyentes. Ahora, investigadores y colegas de la Universidad de Connecticut han desarrollado un material liviano y extraordinariamente fuerte utilizando dos bloques de construcción poco probables: ADN y vidrio.

"Para la densidad dada, nuestro material es el más fuerte conocido", dice Seok-Woo Lee, científico de materiales de la Universidad de Connecticut. Lee y sus colegas de UConn, la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional 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 por centímetro cúbico. Otros metales, como el titanio, son más fuertes y ligeros que el hierro. Y ciertas aleaciones que combinan múltiples elementos son aún más fuertes. Los materiales resistentes y livianos han permitido la creación de chalecos antibalas livianos, mejores dispositivos médicos y automóviles y aviones más seguros y rápidos. La forma más sencilla de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico, por ejemplo, no es aumentar la batería, sino hacer que el vehículo sea más ligero sin sacrificar la seguridad ni 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 ser aún más creativos para desarrollar nuevos materiales ligeros y de alta resistencia.

Ahora, Lee y sus colegas informan que al construir una estructura a partir de ADN y luego recubrirla con vidrio, han creado un material muy fuerte con muy baja densidad. El vidrio puede parecer una elección sorprendente, ya que se rompe fácilmente. Sin embargo, el vidrio normalmente se rompe debido a un defecto (como una grieta, un rasguño o la falta de átomos) en su estructura. Un impecable centímetro cúbico de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión, más de tres veces la presión que hizo implosionar el sumergible Oceangate Titan cerca del Titanic el mes pasado.

Es muy difícil crear un gran trozo de vidrio sin defectos. Pero los investigadores sabían cómo hacer piezas muy pequeñas e impecables. Mientras el vidrio tenga menos de un micrómetro de espesor, casi siempre será impecable. Y dado que la densidad del vidrio es mucho menor que la de los metales y la cerámica, cualquier estructura hecha de vidrio nanométrico impecable debe ser fuerte y liviana.

El equipo creó una estructura de ADN autoensamblado. Casi como Magnatiles, piezas de ADN de longitudes y químicas específicas se unieron formando un esqueleto del material. Imagínese la estructura de una casa o edificio, pero hecha 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 fina de material similar al vidrio de sólo unos pocos cientos de átomos de espesor. El vidrio apenas 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 reforzó la delgada e impecable capa de vidrio, haciendo que el material fuera muy resistente, y los huecos que comprenden la mayor parte del volumen del material lo hicieron liviano. Como resultado, las estructuras de nanoredes de vidrio tienen una resistencia cuatro veces mayor pero una densidad cinco veces menor que el acero. Esta inusual combinación de ligereza y alta resistencia nunca se había logrado antes.

“La capacidad de crear nanomateriales estructurales 3D diseñados utilizando ADN y mineralizarlos abre enormes oportunidades para diseñar propiedades mecánicas. Pero aún queda mucho trabajo de investigación antes de que podamos utilizarlo como tecnología”, afirma Gang.

El equipo está trabajando actualmente con la misma estructura de ADN, pero sustituyendo el vidrio por cerámicas de carburo aún más resistentes. Tienen planes de experimentar con diferentes estructuras de ADN para ver cuál hace que el material sea más fuerte. Los materiales futuros 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 ligeros y resistentes 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 resistente que el acero. Por lo tanto, nuestras nanorrejillas de vidrio serían mucho mejores que cualquier otro material estructural para crear una armadura mejorada para Iron Man”.