Los investigadores del MIT han diseñado un material polimérico que puede cambiar su estructura en respuesta a la luz, conversión de una sustancia rígida a una más suave que puede curarse a sí misma cuando se daña.

"Puede cambiar los estados del material hacia adelante y hacia atrás, y en cada uno de esos estados, el material actúa como si fuera un material completamente diferente, aunque está hecho de los mismos componentes, "dice Jeremiah Johnson, profesor asociado de química en el MIT, miembro del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y del Programa de Polímeros y Materia Blanda, y el líder del equipo de investigación.

El material consta de polímeros unidos a una molécula sensible a la luz que se puede utilizar para alterar los enlaces formados dentro del material. Dichos materiales podrían usarse para revestir objetos como automóviles o satélites, dándoles la capacidad de curarse después de haber sido dañados, aunque estas aplicaciones aún están lejos en el futuro, Johnson dice.

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, 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 para expandirse, están controlados por su topología:cómo se organizan los componentes del material. Generalmente, 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 se puede volver quebradiza sin cambiar su composición química.

En este papel, los investigadores querían crear un material que pudiera cambiar reversiblemente entre dos estados topológicos diferentes, que no se ha hecho antes.

Johnson y sus colegas se dieron cuenta de que un tipo de material que diseñaron hace unos años, conocidas como jaulas de polímero metal-orgánico, o polyMOCs, era un candidato prometedor para este enfoque. Los PolyMOC consisten en metales que contienen estructuras en forma de jaula unidas entre sí por conectores poliméricos flexibles. Los investigadores crearon estos materiales mezclando polímeros unidos a grupos llamados ligandos, que puede unirse a un átomo de metal.

Cada átomo de metal, en este caso, paladio:puede formar enlaces con cuatro moléculas de ligando, creando racimos rígidos en forma de jaula con proporciones variables de paladio a moléculas de ligando. Esas proporciones determinan el tamaño de las jaulas.

En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron diseñar un material que pudiera cambiar de manera reversible entre dos jaulas de diferentes tamaños:una con 24 átomos de paladio y 48 ligandos, y uno 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 está determinado por el ángulo de enlaces que forma una molécula de nitrógeno en el ligando con el 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 rompan y formen grupos más grandes.

Cuando los investigadores iluminan el material con luz verde, el anillo esta roto, el ángulo de enlace se vuelve más pequeño, y los grupos más pequeños se vuelven a formar. El proceso tarda unas cinco horas en completarse, y los investigadores encontraron que podían realizar la reversión hasta siete veces; con cada inversión, un pequeño porcentaje de los polímeros no vuelve a cambiar, lo que eventualmente hace que el material se deshaga.

Cuando el material está en estado de racimo pequeño, se vuelve hasta 10 veces más suave y dinámico. "Pueden fluir cuando se calientan, lo que significa que puede cortarlos y, con un calentamiento leve, el daño sanará, "Dice Johnson.

Este enfoque supera la compensación que suele ocurrir con los materiales autocurativos, lo cual es que estructuralmente tienden a ser relativamente débiles. En este caso, el material puede cambiar entre el más suave, estado de autocuración y un estado más rígido.

Materiales autorreparables

En este papel, los investigadores utilizaron el polímero polietilenglicol (PEG) para fabricar su material, pero dicen que este enfoque podría usarse con cualquier tipo de polímero. Las aplicaciones potenciales incluyen materiales autorreparables, aunque para que este enfoque sea ampliamente utilizado, paladio, un metal raro y caro, probablemente tendría que ser reemplazado por una alternativa más barata.

"Cualquier cosa hecha de plástico o caucho, si se pudiera curar cuando se dañó, entonces no habría que tirarlo. Quizás este enfoque proporcionaría materiales con ciclos de vida más largos, "Dice Johnson.

Otra posible aplicación de estos materiales es la administración de fármacos. Johnson cree que podría ser posible encapsular medicamentos dentro de las jaulas más grandes, luego expóngalos a la luz verde para que se abran y liberen su contenido. La aplicación de luz verde podría permitir la recaptura de las drogas, proporcionando un enfoque novedoso para la administración reversible de fármacos.

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 blandas y rígidas dentro del mismo material.