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(Foco Nanowerk) En la búsqueda de materiales que sean a la vez ligeros y resistentes, los científicos se inspiran desde hace mucho tiempo en las intrincadas estructuras de la naturaleza. Desde los huesos enrejados de las aves hasta los porosos pero resistentes tallos de las plantas, la evolución ha optimizado estos materiales biológicos para lograr propiedades notables. Sin embargo, replicar tales diseños en sistemas sintéticos ha resultado un desafío, particularmente a nanoescala.
Aquí es donde entran en juego los copolímeros en bloque, una clase de polímeros autoensamblables que han demostrado ser una poderosa herramienta para crear materiales nanoestructurados. Al ajustar cuidadosamente la composición y el procesamiento de estos polímeros, los investigadores han podido crear una variedad de estructuras complejas y ordenadas con tamaños de características de tan solo unos pocos nanómetros. Entre ellos, el giroide (una intrincada red periódica con una gran superficie y propiedades ópticas únicas) ha atraído considerable atención.
Aunque los giroides de copolímero de bloques se han mostrado prometedores en aplicaciones como catálisis, almacenamiento de energía y fotónica, están limitados por una estrecha gama de tamaños y composiciones de poros accesibles. Para superar estas limitaciones, se requieren estrategias químicas innovadoras que puedan ampliar el espacio de diseño manteniendo la delicada nanoestructura. Al mismo tiempo, traducir estos materiales a escala de laboratorio en dispositivos prácticos requiere métodos de fabricación que sean escalables y compatibles con el procesamiento industrial.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Nacional Sun Yat-Sen, la Universidad Texas A&M y la Universidad Nacional Tsing Hua han desarrollado un nuevo enfoque que supera estas limitaciones. Su trabajo fue publicado recientemente en Pequeño (“Metamateriales de copolímeros de bloques flexibles con nanoredes ordenadas huecas con porosidad ultra alta y relación superficie-volumen”) demuestra giroides de copolímeros de bloques con fracciones de volumen bajas récord, porosidades ultra altas y una estructura tubular hueca única. Lo importante es que los materiales se creen en un solo paso y conserven su estructura incluso en películas gruesas y flexibles.
El avance clave en este trabajo es un novedoso metamaterial de “nanocompuesto ternario de doble extracción”. Los investigadores comenzaron con un copolímero de bloques llamado PMMA-b-P2VP, que consta de bloques de polimetacrilato de metilo (PMMA) y poli-2-vinilpiridina (P2VP). Luego agregaron un aditivo “mesógeno” líquido cristalino que se une selectivamente a los dominios P2VP.
Un mesógeno es un tipo de molécula que juega un papel crucial en la formación de cristales líquidos. Estas moléculas se caracterizan por su capacidad para organizarse en estructuras bien ordenadas incluso en estado líquido. Los mesógenos suelen tener un núcleo rígido en forma de varilla o disco rodeado por cadenas flexibles. Esta estructura única les permite exhibir dos propiedades: la movilidad de un líquido y el orden de un sólido. En el contexto de giroides de copolímeros de bloques, se introduce un aditivo mesógeno para interactuar selectivamente con bloques de polímeros específicos. Esta interacción influye significativamente en el proceso de autoorganización y conduce a la formación de nanoestructuras complejas.
Al conectarse a los dominios del polímero, los mesógenos mejoran la integridad estructural y la funcionalidad de los materiales resultantes, lo que permite la creación de nanoestructuras con propiedades sin precedentes. La mezcla de tres componentes resultante se autoensambla en una estructura giroide en la que el bloque de PMMA forma dos redes entrelazadas rodeadas por una matriz de P2VP/mesógeno. Lo más importante es que tanto el PMMA como el mesógeno se pueden eliminar selectivamente en un solo paso. La irradiación ultravioleta descompone el PMMA, mientras que la inmersión en metanol extrae el mesógeno. Esta propiedad doblemente extraíble permite la generación de tres estructuras giroides porosas diferentes a partir de un único precursor.
Si solo se elimina el PMMA, se crea un giroide «positivo» (PG) con una red de aire en una matriz polimérica. La extracción sólo del mesógeno da como resultado un giroide (NG) “negativo” con redes de polímeros en el aire. Finalmente, la eliminación de ambos componentes crea un giroide «hueco» único (HG) en el que el P2VP forma dos redes tubulares ultrafinas.
Particularmente notable es la estructura HG, con una porosidad del 77%, que es mucho más alta que las estructuras típicas de PG (24%) o NG (53%). Esto da como resultado una enorme relación superficie-volumen, más de ocho veces mayor que la del PG y cuatro veces mayor que la del NG. A pesar de tener casi un 80% de aire, el HG conserva una resistencia mecánica significativa, con un módulo específico casi el doble que el del NG y más de cuatro veces el del polímero no poroso.
Estas propiedades excepcionales surgen de dos factores clave. En primer lugar, la adición de mesógeno amplía significativamente la ventana accesible de composición de giroides. Si bien el copolímero de bloques por sí solo podría formar giroides en un rango estrecho de proporciones de bloques, el mesógeno aumenta la asimetría conformacional entre los bloques y estabiliza el giroide incluso con una fracción de volumen de PMMA récord baja del 24%.
En segundo lugar, la estructura tubular interconectada del giroide permite mantener la integridad mecánica incluso con una porosidad extremadamente alta. Los investigadores comparan el HG con un marco espacial a nanoescala en el que las tensiones se distribuyen uniformemente entre los puntales entrecruzados. Incluso una película HG de 4 μm de espesor se puede doblar hasta un radio de sólo 2 mm sin agrietarse.
La combinación de una superficie ultraalta, un tamaño de estructura a nanoescala y la flexibilidad del HG abre posibilidades interesantes. La red de poros interconectados podría permitir una difusión rápida y una alta actividad catalítica para aplicaciones como pilas de combustible o producción química. La alta porosidad y el bajo índice de refracción son ideales para recubrimientos antirreflectantes y embalajes de dispositivos optoelectrónicos.
La generalidad del enfoque de nanocompuestos de doble extracción sugiere que podría extenderse a otros copolímeros de bloque y mesógenos, lo que podría conducir a una gama aún más amplia de nanoestructuras. El eficiente proceso de fabricación en un solo paso también se puede ampliar para aplicaciones prácticas.
Con su combinación sin precedentes de alta superficie, baja densidad y flexibilidad mecánica, estos materiales giroides huecos establecen un nuevo punto de referencia para las nanoestructuras porosas. Este estudio innovador no solo amplía las posibilidades de autoensamblaje de copolímeros en bloque, sino que también proporciona una plataforma para el desarrollo de materiales funcionales avanzados que equilibran estructura, propiedades y procesabilidad como nunca antes. A medida que continúa la investigación en este campo, podemos esperar que estas estructuras huecas ultraporosas permitan aplicaciones transformadoras en catálisis, separación, almacenamiento de energía y optoelectrónica.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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