Científicos del MIT han logrado que pequeñas moléculas que se ensamblan espontáneamente en el agua en forma de nanocintas más fuertes que el acero conserven su estructura ya en seco.

pequeñas moléculas
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Los investigadores del MIT han diseñado pequeñas moléculas que forman espontáneamente nanocintas cuando se agrega agua. Estas moléculas incluyen un dominio de "aramida" inspirado en Kevlar en su diseño, en verde, que fija cada molécula en su lugar.
Durante las últimas dos décadas, los científicos e ingenieros han estado siguiendo el ejemplo de la naturaleza, diseñando moléculas que se ensamblan en el agua, con el objetivo de crear nanoestructuras, principalmente para aplicaciones biomédicas como la administración de fármacos o la ingeniería de tejidos.

"Estos materiales basados en moléculas pequeñas tienden a degradarse con bastante rapidez", explica en un comunicado Julia Ortony, profesora asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT, "y también son químicamente inestables. Toda la estructura se desmorona cuando eliminar el agua, especialmente cuando se aplica cualquier tipo de fuerza externa".

El nuevo material de diseño del MIT se basa en una membrana celular. Su parte exterior es "hidrofílica", lo que significa que le gusta estar en el agua, mientras que su parte interior es "hidrofóbica", lo que significa que intenta evitar el agua. Esta configuración, comenta Ortony, "proporciona una fuerza impulsora para el autoensamblaje", ya que las moléculas se orientan para minimizar las interacciones entre las regiones hidrófobas y el agua, y en consecuencia adquieren una forma a nanoescala.

La forma, en este caso, la confiere el agua y, por lo general, toda la estructura colapsaría al secarse. Pero Ortony y sus colegas idearon un plan para evitar que eso sucediera. Cuando las moléculas están débilmente unidas, se mueven rápidamente, de forma análoga a un fluido; a medida que aumenta la fuerza de las fuerzas intermoleculares, el movimiento se ralentiza y las moléculas adoptan un estado sólido. La idea, explica Ortony, "es ralentizar el movimiento molecular a través de pequeñas modificaciones en las moléculas individuales, lo que puede conducir a un cambio colectivo, y con suerte dramático, en las propiedades de la nanoestructura".

Una forma de ralentizar las moléculas, señala Ty Christoff-Tempesta, estudiante de doctorado y primer autor del artículo, "es hacer que se aferren entre sí con más fuerza que en los sistemas biológicos". Eso se puede lograr cuando una densa red de fuertes enlaces de hidrógeno une las moléculas. "Eso es lo que le da a un material como el Kevlar, construido con las llamadas 'aramidas', su estabilidad química y resistencia", afirma Christoff-Tempesta.

El equipo de Ortony incorporó esa capacidad en el diseño de una molécula que tiene tres componentes principales: una parte externa a la que le gusta interactuar con el agua, aramidas en el medio para unirse y una parte interna que tiene una fuerte aversión al agua. Los investigadores probaron docenas de moléculas que cumplían con estos criterios antes de encontrar el diseño que dio lugar a cintas largas con un grosor de escala nanométrica. Luego, los autores midieron la resistencia y rigidez de las nanocintas para comprender el impacto de incluir interacciones similares al Kevlar entre moléculas. Descubrieron que las nanocintas eran inesperadamente resistentes, más fuertes que el acero, de hecho.

Este hallazgo llevó a los autores a preguntarse si las nanocintas podrían agruparse para producir materiales macroscópicos estables. El grupo de Ortony ideó una estrategia mediante la cual las nanocintas alineadas se tiraban en hilos largos que podían secarse y manipularse. En particular, el equipo de Ortony demostró que los hilos podían contener 200 veces su propio peso y tener áreas de superficie extraordinariamente altas: 200 metros cuadrados por gramo de material.

"Esta alta relación superficie-masa ofrece una promesa para las tecnologías de miniaturización al realizar más química con menos material", explica Christoff-Tempesta. Con este fin, ya han desarrollado nanocintas cuyas superficies están recubiertas de moléculas que pueden extraer metales pesados, como plomo o arsénico, del agua contaminada. Otros esfuerzos del grupo de investigación están dirigidos al uso de nanocintas agrupadas en dispositivos electrónicos y baterías.

El estudio se publica en Nature Nanotechnology.