En el clásico de ciencia ficción de Kurt Vonnegut Cuna de gato , Ice-nine es una sustancia capaz de elevar el punto de fusión del agua de 32 a 114,4 grados Fahrenheit. Una vez en contacto con el agua, se propaga instantánea e indefinidamente, dejando océanos congelados y consecuencias escalofriantes a su paso. Afortunadamente, como explica Vonnegut en el epígrafe, "Nada en este libro es verdad". Cuando escribió la novela en 1963, Puede que el haya tenido razón.

Investigadores de la Universidad de Pittsburgh han descubierto el fantástico comportamiento de un polímero líquido capaz de congelar el agua a temperatura ambiente. Más allá de dar crédito a la imaginación profética de Vonnegut, la mezcla resultante aparentemente desafía la segunda ley de la termodinámica, que establece que dentro de un sistema aislado, la entropía siempre aumenta.

"Cuando se mezclan dos componentes puros, la entropía (o el grado de desorden), siempre aumenta, "explica John Keith, profesor asistente de ingeniería química y miembro de la facultad Richard King Mellon en Energía en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt. "Ese trastorno casi siempre hace que las mezclas tengan un más bajo punto de congelación que cualquiera de los componentes individualmente, no más alto ".

La mezcla de sal y agua, por ejemplo, se congela a temperaturas más bajas que la sal o el agua individualmente. Esta cualidad hace que la sal sea adecuada para derretir hielo en carreteras y aceras en invierno. Sin embargo, cuando un polímero en particular, conocido como polioxaciclobutano (POCB), se mezcla con agua, eleva el punto de congelación de la mezcla de 32 grados Fahrenheit a aproximadamente 100 grados Fahrenheit. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista American Chemical Society (ACS). Macromoléculas .

Este comportamiento no es del todo sin precedentes. La mezcla de ciertos metales en proporciones específicas puede crear aleaciones que tengan puntos de fusión más altos que los metales individuales. Debido a que las aleaciones se componen de al menos dos átomos de diferente tamaño, las combinaciones favorables de átomos pueden entrelazarse para formar fuertes enlaces químicos que contrarresten la segunda ley de la termodinámica.

"Este comportamiento, en el que la mezcla se funde más que sus componentes, es bien conocido en metales. Pero es muy inusual entre los no metales, "dice Sachin Velankar, profesor asociado de ingeniería química en Pitt y experto en ciencia de polímeros. "Según entiendo, POCB parece ser la única sustancia que muestra este comportamiento con el agua ".

POCB llegó originalmente a la universidad del fabricante de productos químicos DuPont como parte de una colaboración de investigación entre la empresa y Robert Enick. vicepresidente de investigación del departamento de ingeniería química. Un estudiante de posgrado que trabajaba en el laboratorio del Dr. Enick notó que el polímero líquido se enturbiaba cuando se mezclaba con gotas de agua. pero mas curiosamente, la combinación resultante, o "hidratar", era una pasta blanda (similar a la mantequilla de maní) cuando se agregaba una cantidad precisa de agua. Aún más extraño, los experimentos con el material mostraron que se formaban cristalitos bien ordenados entre dos líquidos.

El Dr. Keith y sus colegas utilizaron modelos informáticos para encontrar una estructura de hidrato estable donde las moléculas de agua se enredan a lo largo del polímero para formar enlaces de hidrógeno que mantienen unido el material como pequeñas cremalleras. "La mezcla tarda menos de una hora en autoensamblarse a temperatura ambiente, y la textura final es como bálsamo labial, "Dice el Dr. Keith.

Los investigadores de Pitt recorrieron revistas académicas para encontrar referencias científicas a los hidratos de POCB, que fue producido por DuPont a finales de la década de 2000 con el nombre "Cerenol" porque está hecho de maíz (un grano de "cereal"). Al principio su búsqueda se quedó corta, sino una conversación con Eric Beckman, Profesor de Servicio Distinguido de ingeniería química y codirector del Centro de Innovación Sostenible Mascaro de Pitt, les indicó otros nombres que el polímero podría haber sido llamado en el pasado. Poco después de, Los investigadores de Pitt encontraron que la estructura de los hidratos ya había sido descubierta por un equipo de investigadores japoneses a finales de la década de 1960.

"El polímero tiene cuatro o cinco nombres, y algunos no son intuitivos "dice el Dr. Velankar." Después de que encontramos los estudios anteriores, nos dimos cuenta de que nos dimos cuenta de que habíamos descubierto una faceta emocionante de un antiguo hallazgo ".

El equipo japonés, utilizando técnicas de rayos X similares a las interpretadas por Watson y Crick para identificar la doble hélice en el ADN, había encontrado estructuras de hidratos similares fundiendo formas de alto peso molecular del polímero que eran sólidas a temperatura ambiente. Ese estudio, que también apareció en Macromoléculas ACS en 1970, ha pasado relativamente desapercibido en las cinco décadas transcurridas desde su publicación. La innovación de los investigadores de Pitt es que hidratos similares se pueden formar espontáneamente con formas de polímero de menor peso molecular que son líquidas a temperatura ambiente. eliminando así la necesidad de fundir antes de mezclar con agua.

"El polímero también puede succionar suavemente la humedad del aire de forma natural, ", dice el Dr. Velankar." Sentimos que este comportamiento era una curiosidad, pero muy interesante. Nuestra investigación ha sido principalmente una exploración fundamental de un fenómeno muy inusual, pero hay muchas aplicaciones potenciales a considerar ".

Los investigadores de Pitt Engineering ya han colaborado con Alexander Star en el Departamento de Química de Pitt para recubrir un electrodo de nanotubos con el polímero para convertirlo en un dispositivo de memoria de computadora. La revista ACS Química de Materiales publicó los resultados del estudio.

Una de las aplicaciones potenciales ciertamente no será un dispositivo apocalíptico como el ice-nine de Vonnegut porque el POCB no puede extenderse instantánea o indefinidamente a través de las fuentes de agua. En lugar de desencadenar el apocalipsis, Los investigadores de la Universidad de Pittsburgh creen que descubrir el comportamiento de congelación de este polímero podría presagiar nuevas innovaciones.

"Ahora que conocemos un ejemplo de una mezcla de polímero y agua con estas cualidades, ahora podemos buscar otras mezclas que puedan tener otras propiedades interesantes, ", dice el Dr. Keith." Soy muy optimista de que esta es una nueva y emocionante clase de materiales cristalinos que se forman espontáneamente a partir de mezclas de líquidos ".