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 de la Universidad de Connecticut creen tener una solución ganadora al haber desarrollado un nuevo material liviano y extraordinariamente fuerte utilizando uniendo dos componentes 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 informaron los detalles el 19 de julio en Cell Reports Physical Science .
La fuerza es relativa. El hierro, por ejemplo, puede soportar siete 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.
Solo por dar un ejemplo, la forma más sencilla de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico no es aumentar la cantidad de baterías, sino hacer que el vehículo sea más ligero, por supuesto sin sacrificar la seguridad de sus ocupantes ni la vida útil del vehículo. 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 livianos 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 el vidrio no sea el primer material que nos viene a la mente cuando imaginamos algo fuerte y resistente, pero eso se debe a que las estructuras de vidrio, en la mayoría de las escalas tangibles, están estructuralmente comprometidas en pequeñas formas que se acumulan con el tiempo. Las astillas, grietas y rayones o la falta de átomos pueden hacer que el vidrio eventualmente se rompa, pero un vidrio completamente impecable es otra historia. Un impecable centímetro cúbico de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión.
cinco veces más ligero y cuatro veces más fuerte que el acero
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 (milésima parte de un milímetro) 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 constituyen la mayor parte del volumen del material aportaron ligereza. 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 con anterioridad.
ADN el esqueleto de los supermateriales del futuro
"La capacidad de crear nanomateriales estructurales 3D diseñados utilizando ADN y mineralizarlos abre enormes oportunidades para diseñar 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 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 con los que nunca antes siquiera nos hubiéramos atrevido a soñar.