Un equipo de investigadores construye una estructura de ADN recubierta de vidrio, creando un material muy resistente y con densidad muy baja
Publicado originalmente por Kim Krieger, Universidad de Connecticut, el 25 de julio de 2023
Los materiales que son fuertes y livianos podrían suponer una gran mejora para la fabricación de cosas como automóviles o una armadura corporal. Pero por lo general, las dos cualidades son mutuamente excluyentes. Hasta ahora. Un grupo de investigadores y colegas de la Universidad de Connecticut ha desarrollado un material extraordinariamente fuerte y liviano utilizando dos elementos de construcción que parecerían poco probables: ADN y vidrio.
"Para la densidad dada, nuestro material es el más fuerte conocido", dice Seok-Woo Lee, científico de materiales de UConn. Lee y sus colegas de UConn, la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional de 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 / 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. La ingeniería de materiales ha ido creando materiales más fuertes y livianos, permitiendo fabricar objetos como una armadura corporal liviana o mejores dispositivos médicos y han hecho automóviles y aviones más seguros y rápidos.
La forma más fácil de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico, por ejemplo, no es agrandar la batería, sino hacer que el vehículo sea más ligero sin sacrificar la seguridad y la vida útil. Pero las técnicas metalúrgicas tradicionales han alcanzado un límite en los últimos años, y los científicos de materiales han tenido que ser aún más creativos para desarrollar nuevos materiales ligeros y de alta resistencia.
Lee y sus colegas informaban que, al construir una estructura a partir de ADN y luego recubrirla con vidrio, crearon un material muy fuerte con muy baja densidad. El vidrio puede parecer una opción sorprendente, ya que se rompe fácilmente. Sin embargo, el vidrio generalmente se rompe debido a un defecto, como una grieta, un rasguño o una pérdida de átomos en su estructura. Un centímetro cúbico impecable de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión, más de tres veces la presión que hizo implosionar el sumergible Oceangate Titan cerca del Titanic el mes pasado.
Es muy difícil crear una gran pieza de vidrio sin defectos. Pero los investigadores sabían cómo hacer piezas muy pequeñas impecables. Mientras el vidrio tenga menos de un micrómetro de espesor, casi siempre es impecable. Y dado que la densidad del vidrio es mucho menor que la de los metales y la cerámica, cualquier estructura hecha de vidrio impecable de tamaño nanométrico debe ser fuerte y liviana.
El equipo creó una estructura de ADN autoensamblable. Casi como Magnatiles, piezas de ADN de longitudes y química específicas se unieron entre sí para formar un esqueleto de este material. Podemos imaginarlo como el marco de una casa o edificio, pero hecho de ADN.
A continuación, Oleg Gang y Aaron Mickelson, científicos de nanomateriales de la Universidad de Columbia y el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven, recubrieron el ADN con una capa muy delgada de material similar al vidrio de solo unos pocos cientos de átomos de espesor. El vidrio solo cubría las hebras de ADN, dejando una gran parte del volumen del material como espacio vacío, al igual que las habitaciones dentro de una casa o edificio.
El esqueleto de ADN reforzó el recubrimiento delgado e impecable del vidrio haciendo que el material fuera muy fuerte, y los vacíos que constituyen la mayor parte del volumen del material lo hicieron liviano. Como resultado, las estructuras de nanored de vidrio son cuatro veces más resistentes pero cinco veces menos densas que el acero. Esta combinación inusual de ligereza y alta resistencia nunca se había logrado antes.
"La capacidad de crear nanomateriales utilizando un marco en 3D de ADN y mineralizándolo, abre enormes oportunidades en el terreno de la ingeniería con propiedades mecánicas. Pero todavía se necesita mucho más trabajo de investigación antes de que podamos utilizarlo como tecnología", dice Gang.
El equipo está trabajando actualmente con la misma estructura de ADN, pero sustituyendo el vidrio por cerámica de carburo, aún más fuerte. Tienen planes de experimentar con diferentes estructuras de ADN para ver cuál hace que el material sea más fuerte.
Materiales futuros basados en este mismo concepto prometen servir para ahorrar energía, en el caso de los vehículos y otros dispositivos que den prioridad a la resistencia. Lee cree que la nanoarquitectura de origami de ADN abrirá un nuevo camino para crear materiales nunca imaginados, más ligeros y fuertes.
"Soy un gran fan de las películas de Iron Man, y siempre me he preguntado cómo crear una mejor armadura para Iron Man. Debe ser muy ligero para que vuele más rápido. Debe ser muy fuerte para protegerlo de los ataques de los enemigos. Nuestro nuevo material es cinco veces más ligero pero cuatro veces más resistente que el acero. Por lo tanto, nuestras nanocelosías de vidrio serían mucho mejores que cualquier otro material estructural para crear una armadura mejorada para Iron Man".
Más información: Aaron Michelson et al, High-strength, lightweight nano-architected silica, Cell Reports Physical Science (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
Información de la revista: Cell Reports Physical Science
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