Investigadores de la Facultad de Ciencias y la Facultad de Ingeniería han descubierto que un polímero de alta resistencia llamado "PBDT" tiene una rara estructura de doble hélice, posibilidades de apertura para su uso en una variedad de aplicaciones.

Este descubrimiento publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , viene como una extensión del desarrollo de un polímero iónico-gel, que promete superar a los electrolitos de batería líquidos inflamables convencionales. Ahora, equipado con evidencia de la estructura de doble hélice, el potencial de este material de alto rendimiento se extiende mucho más allá de las baterías.

"Este polímero ha existido durante 30 años, y nadie se había dado cuenta de que es una doble hélice, "dijo el profesor asociado de química Lou Madsen, quien dirigió esta investigación. "Las hélices dobles en los sistemas sintéticos son esencialmente desconocidas".

Madsen lideró una colaboración internacional, que incluía a los profesores de Virginia Tech Rui Qiao (ingeniería mecánica) y Robert Moore (química), así como Theo Dingemans en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y Bernd Ensing en la Universidad de Amsterdam en Holanda. Los tres profesores de Virginia Tech están afiliados al Instituto de Innovación de Macromoléculas.

La rigidez podría ayudar a los nuevos compuestos

Los compuestos son materiales de ingeniería que unen múltiples componentes para crear un nuevo conjunto de propiedades mejoradas.

Los neumáticos y los fuselajes de aviones modernos son ejemplos de materiales compuestos. Requieren un material de núcleo, como el caucho en el ejemplo de los neumáticos, para mezclar con otros materiales, como rellenos de fibra de refuerzo, para mayor fuerza.

Madsen y su equipo ya habían demostrado en 2016 que PBDT podía mezclarse con iones líquidos para crear un electrolito de batería sólido.

"Antes de tener confianza en esta doble hélice, Descubrimos que el PBDT podría mezclarse con iones líquidos y producir este electrolito que tiene muy buena conductividad y también es mecánicamente rígido. ", Dijo Madsen." Hicimos algo con PBDT, pero queríamos saber por qué funciona tan bien. Teníamos evidencia de que era una doble hélice, pero no habíamos apreciado la mayoría de sus características ".

Estructuras de doble hélice, como el ADN, son bien conocidos en la naturaleza, y tienen una alta rigidez a la flexión. El ADN tiene un diámetro de aproximadamente 2,5 nanómetros y es rígido hasta aproximadamente 50 nanómetros de longitud. donde comienza a doblarse. Eso crea una "relación de rigidez" de aproximadamente 20 a 1, similar a un palito de zanahoria.

En comparación, PBDT tiene una relación de rigidez de 1, 000 a 1, convirtiéndola en una de las moléculas más rígidas descubiertas hasta ahora.

La rigidez suprema del polímero significa que solo se necesitaría una fracción para lograr un rendimiento comparable al de los rellenos de refuerzo convencionales. Es más, el proceso para crearlo es extremadamente barato y sencillo.

"Si utiliza rellenos convencionales en un compuesto, puede usar el 10 por ciento para obtener las propiedades que desea, "Dijo Madsen." Pero el PBDT tiene esta gran longitud de rigidez y un diámetro diminuto. Esto significa que es posible que solo tenga que aportar el 1 o el 2 por ciento para obtener un material altamente mejorado ".

De los rayos X y el ADN al modelado computacional

En 2014, Madsen y su Ph.D. El estudiante Ying Wang había pensado que el polímero era una doble hélice, pero no tenía pruebas sólidas. Luego comenzaron los estudios de rayos X en PBDT, similar a los estudios que Rosalind Franklin realizó sobre el ADN a principios de la década de 1950 que llevaron al descubrimiento de la doble hélice del ADN. Bastante seguro, la radiografía de PBDT fue similar a la radiografía de ADN de Franklin. Además, utilizaron una técnica similar a la resonancia magnética para reforzar su evidencia.

Madsen luego se dirigió a Ensing en Holanda y luego a Qiao en Virginia Tech en busca de ayuda para comprender el polímero con modelos computacionales.

Qiao dijo que inicialmente no pensó que la simulación funcionaría.

"Una simulación de un autoensamblaje para formar una estructura de doble hélice; nunca había oído hablar de ella, excepto que la gente lo había hecho por ADN, ", Dijo Qiao." Pero para este tipo de simulación, es muy difícil. Mi alumno lo intentó de todos modos y milagrosamente funcionó. Probamos un montón de condiciones diferentes, diferentes formas de ejecutar simulaciones, pero los resultados fueron sólidos, lo que nos dio cierta confianza en que es una verdadera doble hélice ".

La confirmación de la estructura de doble hélice abre posibilidades para la aplicación potencial de PBDT más allá de los electrolitos de la batería, como materiales aeroespaciales ligeros.

"La aplicación de esto realmente estará limitada por nuestra imaginación, "Dijo Qiao." Ahora tenemos un nuevo tipo de pieza de Lego. A medida que más personas escuchan sobre este material, ellos idearán su propia forma de usarlo. ¿Qué saldrá realmente de eso? puede que no lo imaginemos hoy ".