Los accidentes ocurren todos los días y, si se te cae el reloj inteligente o lo golpeas muy fuerte, es probable que el dispositivo ya no funcione. Pero ahora, los investigadores informan sobre un material suave y flexible con "durabilidad adaptativa", lo que significa que se vuelve más fuerte cuando se golpea o se estira. El material también conduce electricidad, lo que lo hace ideal para la próxima generación de dispositivos portátiles o sensores médicos personalizados.
Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la reunión de primavera de la Sociedad Química Estadounidense (ACS).
La inspiración para el nuevo material provino de una mezcla comúnmente utilizada en la cocina:una suspensión de maicena.
"Cuando remuevo lentamente la maicena y el agua, la cuchara se mueve con facilidad", explica Yue (Jessica) Wang, científica de materiales e investigadora principal del proyecto. "Pero si levanto la cuchara y luego apuñalo la mezcla, la cuchara no vuelve a entrar. Es como apuñalar una superficie dura". Esta lechada, que ayuda a espesar guisos y salsas, tiene una durabilidad adaptable, pasando de maleable a fuerte, dependiendo de la fuerza aplicada. El equipo de Wang se propuso imitar esta propiedad en un material conductor sólido.
Muchos materiales, como los metales, que conducen la electricidad son duros, rígidos o quebradizos. Pero los investigadores han desarrollado formas de hacer versiones suaves y flexibles utilizando polímeros conjugados:moléculas largas, parecidas a espaguetis, que son conductoras. Sin embargo, la mayoría de los polímeros flexibles se rompen si sufren impactos repetidos, rápidos o grandes. Entonces, el equipo de Wang en la Universidad de California, Merced, se propuso seleccionar la combinación correcta de polímeros conjugados para crear un material duradero que imitaría el comportamiento adaptativo de las partículas de almidón de maíz en el agua.
Inicialmente, los investigadores prepararon una solución acuosa de cuatro polímeros:poli(ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico) largo, parecido a un espagueti, moléculas de polianilina más cortas y una combinación altamente conductora conocida como poli(3,4-etilendioxitiofeno)poliestireno sulfonato ( PEDOT:PSS). Después de extender una fina capa de la mezcla y secarla para formar una película, el equipo probó las propiedades mecánicas del material elástico.
Descubrieron que, en lugar de romperse debido a impactos muy rápidos, se deformaba o estiraba. Cuanto más rápido era el impacto, más elástica y dura se volvía la película. Y, sorprendentemente, solo una adición del 10 % de PEDOT:PSS mejoró tanto la conductividad como la durabilidad adaptativa del material. Wang señala que este resultado fue inesperado porque, por sí solos, PEDOT y PSS no se vuelven más resistentes con impactos rápidos o altos.
Los cuatro polímeros, dos con cargas positivas y dos con cargas negativas, se enredan como un gran plato de espaguetis y albóndigas, explica Di Wu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Wang que presenta el trabajo en la reunión.
"Debido a que a las moléculas cargadas positivamente no les gusta el agua, se agregan en microestructuras similares a albóndigas", dice Wu. La hipótesis del equipo es que el comportamiento adaptativo proviene de que las albóndigas absorben la energía de un impacto y se aplanan cuando son golpeadas, pero no se separan por completo.
Sin embargo, Wu quería ver cómo la adición de moléculas pequeñas podía crear un material compuesto que fuera aún más resistente cuando se estiraba o dejaba caer rápidamente. Como todos los polímeros tenían cargas, el equipo eligió moléculas con cargas positivas, negativas o neutras para realizar las pruebas. Luego evaluaron cómo los aditivos modificaban las interacciones de los polímeros e impactaban la durabilidad adaptativa de cada material.
Los resultados preliminares han indicado que las nanopartículas cargadas positivamente hechas de 1,3-propanodiamina eran el mejor aditivo, ya que impartían la funcionalidad más adaptable. Wu dice que este aditivo debilitó las interacciones de los polímeros que forman las "albóndigas", haciéndolas más fáciles de separar y deformar al golpearlas, y fortaleció los "hilos de espagueti" fuertemente enredados.
"La adición de moléculas cargadas positivamente a nuestro material lo hizo aún más resistente a velocidades de estiramiento más altas", dice Wu.
En el futuro, dice Wang, el equipo se centrará en demostrar la aplicabilidad de su material conductor liviano. Las posibilidades incluyen dispositivos portátiles blandos, como correas integradas y sensores traseros para relojes inteligentes, y dispositivos electrónicos flexibles para el control de la salud, como sensores cardiovasculares o monitores continuos de glucosa.
Además, el equipo formuló una versión previa del material adaptable para impresión 3D y produjo una réplica de la mano de un miembro del equipo, lo que demuestra la posible incorporación a prótesis electrónicas personalizadas. Wang cree que la nueva versión compuesta también debería ser compatible con la impresión 3D para crear cualquier forma que se desee.
La durabilidad adaptativa del material significa que los futuros dispositivos biosensores podrían ser lo suficientemente flexibles para el movimiento humano regular, pero resistir daños si son golpeados accidentalmente o con fuerza, explica Wang. "Existe una serie de aplicaciones potenciales y estamos entusiasmados de ver adónde nos llevará esta propiedad nueva y poco convencional".
Proporcionado por la Sociedad Química Estadounidense
