MIT desarrolla película de polímero revolucionaria que bloquea completamente los gases y previene la corrosión

Este material ultraligero podría transformar la protección de paneles solares, infraestructura y alimentos

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han desarrollado un revolucionario material: una película de polímero tan ligera que es prácticamente impenetrable a las moléculas de gas. Este avance, publicado en la revista Nature, promete aplicaciones transformadoras en la protección contra la corrosión de paneles solares, infraestructura y en la conservación de alimentos y medicamentos.

Una barrera impenetrable de solo nanómetros

El polímero puede aplicarse como una película de apenas nanómetros de grosor y, según las pruebas de laboratorio, repele completamente el nitrógeno y otros gases hasta donde pueden detectar los equipos más avanzados. Este nivel de impermeabilidad nunca se había observado en ningún polímero y rivaliza con la impermeabilidad de materiales cristalinos molecularmente delgados como el grafeno.

«Nuestro polímero es bastante inusual», explica Michael Strano, profesor de Ingeniería Química en MIT. «Se produce obviamente a partir de una reacción de polimerización en fase de solución, pero el producto se comporta como el grafeno, que es impermeable a los gases porque es un cristal perfecto. Sin embargo, cuando examinas este material, nunca lo confundirías con un cristal perfecto».

La ciencia detrás del material

El material es un polímero bidimensional llamado 2DPA-1 (2D polyaramid), que se autoensambla en láminas moleculares usando enlaces de hidrógeno. Para crear estas láminas poliméricas 2D, los investigadores utilizaron un bloque de construcción llamado melamina, que contiene un anillo de átomos de carbono y nitrógeno.

Bajo las condiciones adecuadas, estos monómeros pueden expandirse en dos dimensiones, formando discos de tamaño nanométrico. Estos discos se apilan uno encima del otro, mantenidos juntos por enlaces de hidrógeno entre las capas, lo que hace que la estructura sea muy estable y resistente.

El polímero es más fuerte que el acero pero tiene solo una sexta parte de la densidad del acero.

Burbujas que desafían la física convencional

El descubrimiento de las propiedades impermeables del material fue casi accidental. En 2022, los investigadores se enfocaron en probar la resistencia del material, pero también realizaron estudios preliminares de su permeabilidad a los gases creando «burbujas» con las películas y llenándolas con gas.

Con la mayoría de los polímeros, como los plásticos, el gas atrapado en el interior se filtra a través del material, causando que la burbuja se desinfle rápidamente. Sin embargo, las burbujas hechas de 2DPA-1 no colapsaron: de hecho, las burbujas que hicieron en 2021 siguen infladas.

«Me sorprendió bastante inicialmente», dice Cody Ritt, autor principal del estudio. «El comportamiento de las burbujas no siguió lo que esperarías de un polímero típico y permeable. Esto nos requirió repensar cómo estudiar y entender adecuadamente el transporte molecular a través de este nuevo material».

Una estructura única sin espacios

Los polímeros tradicionales permiten el paso de gases porque consisten en una maraña de moléculas similares a espaguetis que están unidas de manera suelta, dejando pequeños huecos entre las hebras por donde las moléculas de gas pueden filtrarse.

Sin embargo, el nuevo polímero 2D es esencialmente impermeable debido a la forma en que las capas de discos se adhieren entre sí.

«El hecho de que puedan empacarse planos significa que no hay volumen entre los discos bidimensionales, y eso es inusual», explica Strano. «Con otros polímeros, todavía hay espacio entre las cadenas unidimensionales, por lo que la mayoría de las películas poliméricas permiten que al menos un poco de gas pase a través».

Rendimiento excepcional comparado con otros materiales

Además del nitrógeno, los investigadores también expusieron el polímero a helio, argón, oxígeno, metano y hexafluoruro de azufre. Descubrieron que la permeabilidad del 2DPA-1 a estos gases era al menos 1/10,000 veces menor que cualquier otro polímero existente.

Esto lo hace casi tan impermeable como el grafeno, que es completamente impermeable a los gases debido a su estructura cristalina libre de defectos.

George Schatz, profesor de química en la Universidad Northwestern que no participó en el estudio, describió los resultados como «extraordinarios».

«Normalmente los polímeros son razonablemente permeables a los gases, pero los polyaramids reportados en este paper son órdenes de magnitud menos permeables a la mayoría de gases bajo condiciones con relevancia industrial».

Ventajas sobre el grafeno

Los científicos han estado trabajando en desarrollar recubrimientos de grafeno como barrera para prevenir la corrosión en células solares y otros dispositivos. Sin embargo, escalar la creación de películas de grafeno es difícil, en gran parte porque no pueden simplemente pintarse sobre superficies.

«Solo podemos hacer grafeno cristalino en parches muy pequeños», dice Strano. «Un pequeño parche de grafeno es molecularmente impermeable, pero no escala. La gente ha tratado de pintarlo, pero el grafeno no se adhiere a sí mismo sino que se desliza cuando se corta».

Por otro lado, el polímero 2DPA-1 se adhiere fácilmente debido a los fuertes enlaces de hidrógeno entre los discos en capas.

Aplicaciones prometedoras

Protección de perovskitas

En este estudio, los investigadores demostraron que una capa de solo 60 nanómetros de grosor podría extender la vida útil de un cristal de perovskita por semanas. Las perovskitas son materiales que prometen ser células solares baratas y ligeras, pero tienden a descomponerse mucho más rápido que los paneles solares de silicio que ahora se usan ampliamente.

Un recubrimiento de 60 nanómetros extendió la vida útil de la perovskita a aproximadamente tres semanas, pero un recubrimiento más grueso ofrecería protección más prolongada.

Protección de infraestructura

«Usando un recubrimiento impermeable como este, podrías proteger infraestructura como puentes, edificios, líneas ferroviarias: básicamente cualquier cosa afuera expuesta a los elementos», dice Strano. «Los vehículos automotrices, aeronaves y embarcaciones oceánicas también podrían beneficiarse. Cualquier cosa que necesite ser protegida de la corrosión. La vida útil de los alimentos y medicamentos también puede extenderse usando tales materiales».

Resonadores nanoscópicos

La otra aplicación demostrada es un resonador a nanoescala: esencialmente un tambor diminuto que vibra a una frecuencia particular. Los resonadores más grandes se encuentran en teléfonos celulares, donde permiten al teléfono captar las bandas de frecuencia que usa para transmitir y recibir señales.

«En este paper, hicimos el primer resonador polimérico 2D, que puedes hacer con nuestro material porque es impermeable y bastante fuerte, como el grafeno», dice Strano. «Hacer resonadores de menos de una micra de tamaño sería revolucionario. Los teléfonos celulares y otros dispositivos podrían ser más pequeños y reducir los gastos de energía necesarios para el procesamiento de señales».

Los resonadores también pueden usarse como sensores para detectar moléculas muy pequeñas, incluidas moléculas de gas.

El camino hacia la comercialización

El proceso de fabricación del polímero 2DPA-1, a diferencia del grafeno, puede escalarse a grandes cantidades y aplicarse a superficies mucho más fácilmente. Esta ventaja práctica podría acelerar su adopción comercial en múltiples industrias.

La investigación fue financiada, en parte, por el Centro para el Transporte Nanofluidico Mejorado-Fase 2, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, así como por la Fundación Nacional de Ciencias.