Los científicos desarrollan un material increíblemente ligero, 4 veces más resistente que el acero

Los investigadores han desarrollado un material ligero pero resistente combinando dos ingredientes inesperados: ADN y vidrio.

Trabajando en nanoescala proporciona a los científicos un conocimiento profundo y precisión en el diseño y análisis de materiales. En la producción a gran escala, e incluso en entornos naturales, numerosos materiales son susceptibles a defectos y contaminantes que pueden comprometer su compleja arquitectura. Estas vulnerabilidades pueden hacer que se fracturen bajo presión. Esto es particularmente evidente en la mayoría de los tipos de vidrio, lo que lleva a su reputación como material frágil.

Los científicos de la Universidad de Columbia, la Universidad de Connecticut y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) pudieron fabricar una forma pura de vidrio y recubrir piezas de vidrio especializadas. ADN con él para crear un material que no sólo era más fuerte que el acero sino también increíblemente ligero. Los materiales que poseen ambas cualidades son poco comunes y una mayor investigación podría conducir a nuevas aplicaciones en ingeniería y defensa. Los resultados fueron publicados en la revista. cetodo Rdeportes ciencias fisicas.

ADN: los componentes básicos de la vida y más

En los seres vivos, el desoxirribonucleico ácido, más comúnmente conocido como ADN, transporta información biológica que indica a las células de los organismos cómo formarse, crecer y reproducirse. El material del que está hecho el ADN se conoce como polímero, una clase de materiales elásticos y resistentes que incluye el plástico y el caucho. Su resistencia y simplicidad han intrigado a los científicos de materiales e inspirado muchos experimentos interesantes. Oleg Gang, científico de materiales del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab y profesor del Universidad de Colombia, lleva años aprovechando las propiedades únicas del ADN para sintetizar materiales, lo que ha dado lugar a innumerables descubrimientos. Esta nueva tecnología ha inspirado una variedad de aplicaciones innovadoras, desde la administración de medicamentos hasta la electrónica.

Oleg Gang, en la foto de atrás, y Aaron Michelson utilizan las capacidades especializadas de CFN para medir la sorprendente resistencia de esta nueva estructura material. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Gang había trabajado previamente con el autor principal del artículo, el investigador postdoctoral de Brookhaven, Aaron Michelson, en un experimento que utiliza estructuras de ADN para construir un marco sólido para nuevos materiales. Las moléculas de ADN se comportan de una manera interesante. Los nucleótidos individuales, unidades básicas de ácidos nucleicos como el ADN y ARN, dictan la conexión entre secuencias complementarias. La forma precisa en que se unen permite a los científicos desarrollar métodos para diseñar el plegamiento del ADN en formas específicas conocidas como «origami», que lleva el nombre del arte japonés de doblar papel. Estas formas de ADN son bloques de construcción a nanoescala que se pueden programar mediante enlaces de ADN direccionables para «autoensamblar.” Esto significa que se pueden formar espontáneamente estructuras bien definidas con un patrón repetitivo a partir de estos bloques de origami de ADN.

Luego, estos bloques se unen para formar una red más grande: una estructura con un patrón repetitivo. Este proceso permite a los científicos construir nanomateriales ordenados en 3D a partir de ADN e integrar nanopartículas y proteínas inorgánicas, como lo demuestran estudios anteriores del grupo. Después de comprender y controlar este proceso de ensamblaje único, Gang, Michelson y su equipo pudieron explorar lo que se podría lograr cuando se usara este andamio biomolecular para crear estructuras de sílice que preservaran la arquitectura del andamio.

“Nos centramos en utilizar el ADN como un nanomaterial programable para formar una estructura 3D compleja”, dijo Michelson, “y queríamos explorar cómo funcionará mecánicamente esta estructura cuando se transfiera a materiales de estado sólido más estables. Exploramos la posibilidad de fusionar este material autoensamblable con sílice, el ingrediente principal del vidrio, y su potencial”.

El trabajo de Michelson en este campo le valió el premio Robert Simon Memorial en la Universidad de Columbia. Su investigación sobre las estructuras del ADN ha explorado una variedad de características y aplicaciones, desde propiedades mecánicas hasta la superconductividad. Al igual que las estructuras sobre las que construyó, el trabajo de Michelson continúa creciendo y construyéndose sobre sí mismo a medida que adquiere nuevas capas de información a partir de estas emocionantes experiencias.

Una visión microscópica de cómo estas cadenas de ADN forman formas que se construyen en estructuras más grandes recubiertas de sílice. CFN, JEOL-1400 TEM y Hitachi-4800 SEM. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

La siguiente parte del proceso de fabricación se inspiró en la biomineralización: la forma en que ciertos tejidos vivos producen minerales para volverse más duros, como los huesos.

«Estábamos muy interesados ​​en explorar cómo podemos mejorar las propiedades mecánicas de materiales comunes como el vidrio, pero estructurándolos a nanoescala», dijo Gang.

Los científicos utilizaron una capa muy fina de vidrio de sílice, de unos 5 nm o unos cientos de átomos de espesor, para recubrir las estructuras del ADN, dejando los espacios internos abiertos y garantizando que el material resultante fuera ultraligero. A esta pequeña escala, el vidrio es insensible a las imperfecciones o defectos, lo que proporciona una resistencia que no se ve en piezas de vidrio más grandes, donde se desarrollan grietas que provocan su rotura. El equipo quería saber exactamente qué tan resistente era este material, lo que, a esta escala, requería equipo muy especializado.

Fuerza bajo presión

Hay formas sencillas de comprobar si algo es resistente. Hurgar, empujar e inclinarse sobre las superficies y observar su comportamiento a menudo puede proporcionar información útil. ¿Se doblan, crujen, se pandean o permanecen firmes bajo tensión? Esta es una forma sencilla pero eficaz de comprender la resistencia de un objeto, incluso sin herramientas para medirla con precisión. Pero, ¿cómo se presiona un objeto que es demasiado pequeño para verlo?

«Para medir la resistencia de estas pequeñas estructuras, empleamos una técnica llamada nanoindentación», explicó Michelson. “La nanoindentación es una prueba mecánica a muy pequeña escala realizada con un instrumento preciso que puede aplicar y medir fuerzas de resistencia. Nuestras muestras tienen sólo unas pocas micras de espesor, aproximadamente una milésima de milímetro, por lo que es imposible medir estos materiales por medios convencionales. Usando juntos un microscopio electrónico y nanoindentación, podemos medir simultáneamente el comportamiento mecánico y observar el proceso de compresión”.

Un gráfico que compara la nanored en este experimento con la resistencia relativa de varios materiales. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

A medida que el pequeño dispositivo comprime o hace retroceder la muestra, los investigadores pueden tomar medidas y observar propiedades mecánicas. Luego pueden ver qué sucede con el material cuando se libera la compresión y la muestra vuelve a su estado original. Si hay grietas o si la estructura falla en algún punto, se pueden registrar estos valiosos datos.

Cuando se probó, se descubrió que la red de ADN recubierta de vidrio era cuatro veces más fuerte que el acero. Lo que fue aún más interesante fue que su densidad era aproximadamente cinco veces menor. Aunque hay materiales que son resistentes y se consideran bastante ligeros, nunca se ha conseguido este grado.

Sin embargo, esta técnica no siempre estuvo disponible en el CFN.

«Colaboramos con Seok-Woo Lee, profesor asociado de la Universidad de Connecticut, que tiene experiencia en propiedades mecánicas de materiales», dijo Gang. “Él era un usuario de CFN que aprovechó algunas de nuestras capacidades y recursos, como los microscopios electrónicos, y así fue como desarrollamos una relación con él. Al principio no teníamos la capacidad de realizar nanoindentación, pero él nos guió hacia las herramientas adecuadas y nos puso en el camino correcto. Este es otro ejemplo de cómo los científicos del mundo académico y de los laboratorios nacionales se benefician del trabajo conjunto. Ahora contamos con estas herramientas y la experiencia para llevar estudios como este aún más lejos”.

Construyendo algo nuevo y emocionante

Si bien todavía queda mucho trabajo por hacer antes de ampliarlo y pensar en las innumerables aplicaciones de dicho material, todavía hay motivos para que los científicos de materiales estén entusiasmados con lo que esto significa en el futuro. El equipo planea estudiar otros materiales, como las cerámicas de carburo, que son incluso más resistentes que el vidrio, para ver cómo funcionan y se comportan. Esto podría dar lugar a materiales ligeros aún más resistentes en el futuro.

Aunque su carrera aún se encuentra en las primeras etapas, Michelson ya ha logrado mucho y está ansioso por comenzar las siguientes fases de su investigación.

«Es una maravillosa oportunidad hacer un postdoctorado en Brookhaven Lab, especialmente después de ser un estudiante de la Universidad de Columbia que trabajó en CFN con bastante frecuencia», recordó Michelson. “Eso es lo que me llevó a continuar allí como becario postdoctoral. Las capacidades que tenemos en CFN, especialmente en lo que respecta a imágenes, realmente han ayudado a impulsar mi trabajo”.

Referencia: “Sílice de nanoarquitectura liviana y de alta resistencia” por Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee y Oleg Gang, 27 de junio de 2023. Informes celulares ciencia física.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475