NeoFronteras

Crean un plástico compuesto que conserva la transparencia y la ligereza de este tipo de materiales, pero que es tan resistente como el acero. Está compuesto por nanoláminas de cerámica y un polímero soluble en agua que comparte la química de la cola blanca.

Plástico compuesto nanoestructurado tan resistente como el acero. Foto: AAAS.

Los científicos a veces se sorprenden de las propiedades físico-químicas de ciertos materiales creados por los seres vivos. Uno de estos materiales es la madreperla o nácar, que es segregado por los moluscos. El mineral que lo compone es aragonito, pero la madreperla es de hecho mucho más resistente que este material. El nácar es, en concreto, 3000 veces más resistente a la fractura que el mineral del que está hecho. La sorprendente resistencia de la madreperla se debe la microestructura que adoptan los cristales que la forman. Durante millones de años la evolución ha ido mejorando este material y ahora lo vemos bastante optimizado.
No es la primera vez que alguien se inspira en la Naturaleza para crear algún avance tecnológico o científico. Ahora Nicholas Kotov y su equipo de University of Michigan han creado lo que han llamado «acero plástico» inspirándose en la estructura de la madreperla. Es un plástico ligero y transparente, pero tan resistente como el acero. Esperan usarlo algún día en blindajes para vehículos o para proteger a soldados y policías. También esperan aplicar este descubrimiento a dispositivos micromecánicos, sensores biomédicos, válvulas y también para aeronaves por control remoto.
Este hallazgo proporciona una solución al problema que han estado tratando de resolver muchos científicos durante décadas. Conocemos materiales de tamaño nanométrico como nanotubos, nanobastones o nanoláminas con unas propiedades de resistencia mecánica increíbles, pero no se sabe cómo usar estos bloque o unidades y crear objetos de tamaño normal que hereden sus propiedades y que puedan usarse en aplicaciones reales. Muchos de los objetos creados a partir de estos nanobloques son frágiles y débiles. Bueno, lo eran hasta ahora.
Transferir las propiedades de resistencia de las nanoláminas o nanotubos al material al completo no es sencillo. Este equipo de investigadores ha demostrado que es posible alcanzar una transferencia casi ideal de resistencia de nanoláminas de cerámica a una lámina macroscópica usando una matriz de polímero.
Para crear este material compuesto los investigadores usaron una máquina diseñada especialmente al efecto que hace crecer el material depositando láminas de nanomaterial capa a capa.
La máquina robótica consiste en un brazo que se mueve por encima de una rueda que contiene viales con diferentes líquidos. En este caso el brazo sujeta una lámina de vidrio del tamaño de una tira de chicle sobre la que se hace crecer el nuevo material. El brazo sumerge la lámina de vidrio en un líquido consistente en una disolución de polímero, y que tiene el aspecto de cola blanca. Posteriormente lo sumerge en un líquido que contiene las unidades nanométricas de cerámica en suspensión. Después de que las dos capas se secan el paso se repite de nuevo. El proceso total requiere de unas 300 capas de los dos materiales para crear una lámina plástica tan gruesa como el film transparente de cocina.
La madreperla es creada de igual modo, capa a capa, obteniéndose uno de los materiales minerales de origen biológico más resistentes de la Naturaleza.
El polímero utilizado en este caso (alcohol polivinílico o PVA en sus siglas en inglés) es tan importante como el proceso de ensamblaje capa a capa. La estructura de este «nanopegamento» y de la cerámica permiten que se establezcan enlaces químicos (presumiblemente puentes de hidrógeno) entre las capas en lo que Kotov llama «efecto velcro». Si algunos de estos enlaces se rompen pueden formarse fácilmente otros nuevos en otros lugares.
Este «efecto velcro» es uno de los que dota a este material de su resistencia. El otro es la disposición de las nanoláminas; éstas se colocan como los ladrillos de una pared, en un patrón alternado.
Cuando en un muro disponemos los ladrillos y el cemento de la manera que lo hacemos se consigue que una eventual grieta no se propague fácilmente y que el muro o pared sea más resistente. No es fácil conseguir el mismo efecto con estructuras nanomátricas, pero en este caso se ha conseguido.
La rigidez y la resistencia a la tensión de este material es 10 veces superior a la de cualquier otro material nanocompuesto anterior. Es difícil imaginar que una combinación de materiales tan corrientes como la cerámica y el PVA proporcione semejantes propiedades mecánicas.
Este resultado es un buen ejemplo de cómo una idea que la naturaleza ha usado durante millones de años puede servir para crear materiales que hasta hace poco se creían de ciencia ficción.

Fuentes y referencias:
University of Michigan.
Ultrastrong and Stiff Layered Polymer Nanocomposites (resumen).
Las propiedades de la madreperla.