Los investigadores del MIT han diseñado un material polimérico que puede cambiar su estructura en respuesta a la luz, convirtiéndose de una sustancia rígida a una más suave que puede curarse a sí misma cuando se daña.
"Puede cambiar los estados del material de un lado a otro, y en cada uno de esos estados, el material actúa como si fuera un material completamente diferente, a pesar de que está hecho de los mismos componentes", dice Jeremiah Johnson, profesor asociadode química en MIT, miembro del Instituto Koch de MIT para la Investigación Integrativa del Cáncer y el Programa en Polímeros y Materia Suave, y el líder del equipo de investigación.
El material consiste en polímeros unidos a una molécula sensible a la luz que puede usarse para alterar los enlaces formados dentro del material. Dichos materiales podrían usarse para recubrir objetos como automóviles o satélites, dándoles la capacidad de sanar después de ser dañados, aunque tales aplicaciones aún están lejos en el futuro, dice Johnson.
El autor principal del artículo, que aparece en la edición del 18 de julio de Naturaleza , es el estudiante graduado del MIT Yuwei Gu. Otros autores son el estudiante graduado del MIT Eric Alt, el profesor asistente de química del MIT Adam Willard, y Heng Wang y Xiaopeng Li de la Universidad del Sur de Florida.
estructura controlada
Muchas de las propiedades de los polímeros, como su rigidez y su capacidad de expansión, están controladas por su topología: cómo se organizan los componentes del material. Por lo general, una vez que se forma un material, su topología no se puede cambiar de forma reversible.Por ejemplo, una pelota de goma permanece elástica y no puede volverse quebradiza sin cambiar su composición química.
En este documento, los investigadores querían crear un material que pudiera cambiar reversiblemente entre dos estados topológicos diferentes, lo que no se había hecho antes.
Johnson y sus colegas se dieron cuenta de que un tipo de material que diseñaron hace unos años, conocido como jaulas de metal-polímero orgánico, o polyMOC, era un candidato prometedor para este enfoque. Los PolyMOC consisten en estructuras en forma de jaula que contienen metal unidasjuntos por enlaces de polímeros flexibles. Los investigadores crearon estos materiales mezclando polímeros unidos a grupos llamados ligandos, que pueden unirse a un átomo de metal.
Cada átomo metálico, en este caso, paladio, puede formar enlaces con cuatro moléculas de ligando, creando grupos rígidos en forma de jaula con diferentes proporciones de moléculas de paladio a ligando. Estas proporciones determinan el tamaño de las jaulas.
En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron diseñar un material que pudiera cambiar reversiblemente entre dos jaulas de diferentes tamaños: una con 24 átomos de paladio y 48 ligandos, y otra con tres átomos de paladio y seis moléculas de ligando.
Para lograr eso, incorporaron una molécula sensible a la luz llamada DTE en el ligando. El tamaño de las jaulas se determina por el ángulo de enlaces que una molécula de nitrógeno en el ligando forma con paladio. Cuando el DTE se expone a la luz ultravioleta,forma un anillo en el ligando, lo que aumenta el tamaño del ángulo en el que el nitrógeno puede unirse al paladio. Esto hace que los grupos se separen y formen grupos más grandes.
Cuando los investigadores iluminan el material con luz verde, el anillo se rompe, el ángulo de enlace se hace más pequeño y los grupos más pequeños se vuelven a formar. El proceso tarda aproximadamente cinco horas en completarse, y los investigadores descubrieron que podían realizar la inversión hacia arribaa siete veces; con cada inversión, un pequeño porcentaje de los polímeros no puede volver a cambiar, lo que finalmente hace que el material se desmorone.
Cuando el material está en el estado de racimo pequeño, se vuelve hasta 10 veces más suave y más dinámico. "Pueden fluir cuando se calientan, lo que significa que podría cortarlos y con un calentamiento suave ese daño sanará", dice Johnson.
Este enfoque supera la compensación que generalmente ocurre con los materiales de autocuración, que es que estructuralmente tienden a ser relativamente débiles. En este caso, el material puede cambiar entre el estado más suave y de autocuración y un estado más rígido.
Materiales de autocuración
En este documento, los investigadores utilizaron el polímero de polietilenglicol PEG para hacer su material, pero dicen que este enfoque podría usarse con cualquier tipo de polímero. Las aplicaciones potenciales incluyen materiales de autocuración, aunque para que este enfoque sea ampliamenteusado, el paladio, un metal raro y costoso, probablemente tendría que ser reemplazado por una alternativa más barata.
"Todo lo que esté hecho de plástico o caucho, si pudiera curarse cuando se dañó, entonces no tendría que desecharse. Tal vez este enfoque proporcionaría materiales con ciclos de vida más largos", dice Johnson.
Otra posible aplicación para estos materiales es la entrega de medicamentos. Johnson cree que podría ser posible encapsular los medicamentos dentro de las jaulas más grandes, luego exponerlos a la luz verde para que se abran y liberen su contenido. La aplicación de luz verde podría permitir la recuperación de la drogamedicamentos, proporcionando un enfoque novedoso para la administración reversible de medicamentos.
Los investigadores también están trabajando en la creación de materiales que puedan cambiar reversiblemente de un estado sólido a un estado líquido, y en el uso de la luz para crear patrones de secciones suaves y rígidas dentro del mismo material.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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