Una nueva teoría promete cambiar la forma de pensar sobre las superestructuras de los polímeros
Los científicos pueden ahora predecir con exactitud cómo se forman las redes de doble tiroides
Científicos especializados en polímeros de la Universidad de Massachusetts Amherst han anunciado recientemente en la revista Nature Communications que han resuelto un antiguo misterio en torno a una estructura a nanoescala, formada por conjuntos de moléculas, denominada doble giroide. Esta forma es una de las más deseadas por los científicos de materiales, y tiene una amplia gama de aplicaciones; pero, hasta ahora, una comprensión predecible de cómo se forman estas formas ha eludido a los investigadores.
En un doble giroide, dos materiales (aquí representados como rojo y azul) se interpenetran completamente
Reddy at al., 10.1038/s41467-022-30343-2
"Hay una hermosa interacción entre las matemáticas puras y la ciencia de los materiales", dice Greg Grason, autor principal del artículo y profesor de ciencia e ingeniería de los polímeros en UMass Amherst. "Nuestro trabajo investiga cómo los materiales se autoensamblan en formas naturales".
Estas formas pueden ser muy variadas. Pueden ser simples, como una capa, un cilindro o una esfera. "Un poco como las películas de jabón", añade Michael Dimitriyev, investigador postdoctoral en ciencia e ingeniería de polímeros en UMass Amherst, y uno de los coautores del trabajo. "Existe una comprensión intuitiva de las formas que pueden construir las moléculas, como las del jabón. Lo que hemos hecho es revelar la geometría oculta que permite a los polímeros adoptar la forma de doble giroide".
¿Qué aspecto tiene un doble giroide? No es intuitivo. "Son algo intermedio entre una capa y un cilindro", dice Abhiram Reddy, investigador postdoctoral en Northwestern que realizó esta investigación como parte de su estudio de posgrado en UMass Amherst y autor principal del artículo. En otras palabras, imagina un trozo plano de pantalla de ventana -una capa- y luego retuércelo para darle forma de silla de montar que encaje en una caja cúbica de manera que su superficie sea lo más pequeña posible. Eso es un giroide. Un giroide doble es cuando un segundo material, también retorcido en forma de giroide, rellena los huecos del primer giroide. Cada material giroide forma una red de tubos que interpenetra al otro. Juntos, forman un material enormemente complejo que es a la vez simétrico en todos sus lados, como muchos cristales, pero que está impregnado de canales laberínticos, cada uno formado por unidades moleculares diferentes. Como este material es un híbrido de dos giroscopios, puede ser diseñado para tener propiedades contradictorias.
Estos giroscopios dobles existen en la naturaleza y se han observado durante mucho tiempo, pero hasta ahora nadie había averiguado cómo las moléculas en cadena, conocidas como copolímeros en bloque, saben formar giroscopios dobles. Reddy y sus coautores se basaron en un modelo teórico anterior, añadiendo una fuerte dosis de termodinámica y un nuevo enfoque para pensar en el problema del empaquetamiento -o en la mejor manera de llenar un contenedor finito con material- tomado de la geometría computacional y conocido como mapa medial. Dado que los copolímeros tienen que estirarse para ocupar todas las partes de la estructura autoensamblada, para entender esta formación es necesario saber cómo las moléculas "miden el medio" de formas, como los giroscopios, que son mucho más complejas que las esferas y los cilindros. El modelo teórico actualizado del equipo no sólo explica la desconcertante formación de los giroscopios dobles, sino que es prometedor para entender cómo funciona el problema del empaquetamiento en una gama mucho más amplia de superestructuras autoensambladas, como los diamantes dobles y los primitivos dobles, o incluso estructuras que aún no se han descubierto.
Los investigadores, financiados por el Departamento de Energía de EE.UU., tienen previsto colaborar con químicos sintéticos para empezar a refinar su teoría con datos experimentales. El objetivo final es poder diseñar una amplia variedad de materiales que aprovechen la estructura de la doble gidroide y que puedan contribuir al avance de una amplia gama de tecnologías, desde las baterías recargables hasta los revestimientos que reflejan la luz.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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