Materiales inteligentes, la última revolución en el campo de la ciencia de los materiales, puede adaptar sus propiedades en función de los cambios en su entorno. Se pueden utilizar en todo, desde pantallas de teléfonos móviles con recuperación automática, a alas de avión que cambian de forma, y administración de fármacos dirigida. La administración de medicamentos a un objetivo específico dentro del cuerpo utilizando materiales inteligentes es particularmente importante para enfermedades como el cáncer, ya que el material inteligente solo libera la carga útil del fármaco cuando detecta la presencia de una célula cancerosa, dejando ilesas las células sanas.

Ahora, investigadores del Centro de Materiales 2D Avanzados (CA2DM) de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han creado una nueva clase de materiales inteligentes. Tiene la estructura de un material bidimensional (2D), pero se comporta como un electrolito y podría ser una nueva forma de administrar medicamentos dentro del cuerpo.

Al igual que los electrolitos tradicionales, estos nuevos "electrolitos 2D" disocian sus átomos en diferentes disolventes, y se cargan eléctricamente. Es más, la disposición de estos materiales puede ser controlada por factores externos, como el pH y la temperatura, que es ideal para la administración de fármacos dirigida. Los electrolitos 2D también son prometedores para otras aplicaciones que requieren que un material responda a los cambios ambientales. como músculos artificiales y almacenamiento de energía.

El equipo detrás de los electrolitos 2D está dirigido por el profesor Antonio Castro Neto, Director de CA2DM, y compuesto por investigadores de CA2DM, así como el Departamento de Física de NUS, y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NUS.

Sus resultados fueron publicados en Materiales avanzados el 12 de mayo de 2021.

Cambiar el comportamiento de los materiales 2D

En ciencia de materiales, un material 2D es un material sólido que existe en una sola capa de átomos. Se puede considerar como una hoja atómicamente delgada que tiene una altura y un ancho específicos, pero efectivamente sin profundidad, por eso, es esencialmente bidimensional. Por otra parte, un electrolito es una sustancia que produce una suspensión conductora de electricidad cuando se disuelve en un disolvente, como el agua.

Actualmente existen numerosos materiales 2D, y el comportamiento electrolítico ha sido bien establecido en muchos otros compuestos. Sin embargo, Los resultados de los investigadores de NUS muestran la primera instancia de materiales que tienen estructura 2D y propiedades de electrolitos, con una tendencia particular a cambiar su forma de forma reversible en medio líquido. El equipo de NUS logró esta hazaña utilizando moléculas orgánicas como especies reactivas para agregar diferentes funcionalidades a materiales 2D como el grafeno y el disulfuro de molibdeno (MoS2).

"Al agregar diferentes grupos químicos que se cargan eléctricamente positiva o negativamente en solventes, Alteramos materiales 2D tradicionales y creamos una nueva clase de materiales inteligentes que tienen sus propiedades electrónicas controladas por conformación morfológica. "explicó el profesor Castro Neto.

Los métodos utilizados por los investigadores para crear electrolitos 2D son solo algunos ejemplos posibles entre muchas opciones potenciales, haciendo de este descubrimiento una nueva área de investigación emocionante para explorar.

De una hoja plana a un pergamino enrollado

Un gran avance de esta investigación fue que la orientación de los electrolitos 2D podría cambiar de manera reversible al ajustar las condiciones externas. En la actualidad, la repulsión eléctrica entre la carga superficial en un material 2D hace que se disponga en una hoja plana. Alterando el pH, la temperatura, o la concentración iónica de las suspensiones, Los investigadores de NUS demostraron la capacidad de la hoja de electrolitos 2D para cambiar de forma y formar arreglos en forma de volutas. Estos resultados experimentales están respaldados por un análisis teórico detallado en el que explican el mecanismo físico detrás de la formación y estabilidad de los volutas.

Estas orientaciones de desplazamiento tienen un diámetro tan pequeño que podrían describirse como unidimensionales (1D), dando lugar a diferentes propiedades físicas y químicas. Es más, esta transición de 2D a 1D es reversible al alterar las condiciones externas a sus valores originales

"Se puede pensar en los electrolitos 2D como los análogos dimensionales superiores de los electrolitos 1D, comúnmente conocido como polielectrolitos, ", dijo el profesor Castro Neto. Ejemplos importantes de polielectrolitos incluyen muchos materiales biológicamente relevantes, como el ADN y el ARN.

"Cuando los ácidos, bases, o se añaden sales, Estos polímeros cargados eléctricamente también experimentan transiciones conformacionales de cadenas moleculares que son 1D, a objetos globulares de 0D, y viceversa. Nuestros electrolitos 2D, en analogía con los polielectrolitos, mostrar transiciones reversibles de 2D a 1D, en función de factores externos. Como materiales sensibles a los estímulos, son adecuados para la creación de tecnología de punta, "añadió.

Próximos pasos

El descubrimiento de esta clase de materiales ha abierto nuevas áreas de exploración para los científicos de materiales, dado que reúne dos campos de investigación que tradicionalmente han estado desvinculados, a saber, Materiales 2D en el campo de la Física, y electrolitos (en el área de electroquímica).

"Hay un número incontable de formas de funcionalizar el grafeno y otros materiales 2D para transformarlos en electrolitos 2D. Esperamos que nuestro trabajo inspire a los científicos de diferentes campos a explorar más a fondo las propiedades y posibles aplicaciones de los electrolitos 2D. Anticipamos que ya que los electrolitos 2D tienen similitudes con los sistemas biológicos o naturales, Son capaces de autoensamblarse y reticularse espontáneamente para formar nanofibras que son prometedoras para aplicaciones en membranas de filtración. entrega de medicamentos, y textiles electrónicos inteligentes, "explicó el profesor Castro Neto.