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TECNOLOGÍA. Nanofibras moleculares inspiradas en kevlar que son más fuertes que el acero

 

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 y conduce a nanocintas que son más fuertes que el acero. Las partes de las moléculas atraídas o rechazadas por el agua, que se muestran en púrpura y azul respectivamente, orientan y guían las moléculas para formar una nanoestructura. Esta imagen muestra tres nanocintas de “anfífilo de aramida” inspiradas en Kevlar. Fuente: Peter Allen

El autoensamblaje de moléculas inspiradas en Kevlar conduce a estructuras con propiedades robustas que ofrecen nuevos materiales para aplicaciones de estado sólido.

El autoensamblaje es omnipresente en el mundo natural, y sirve como una ruta para formar estructuras organizadas en cada organismo vivo. Este fenómeno se puede ver, por ejemplo, cuando dos hebras de ADN , sin ningún estímulo o guía externos, se unen para formar una doble hélice, o cuando un gran número de moléculas se combinan para crear membranas u otras estructuras celulares vitales. Todo va al lugar que le corresponde sin que un constructor invisible tenga que juntar todas las piezas, una a la vez.

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 Julia Ortony, profesor asistente en el MIT Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería (DMSE), y son químicamente inestables. Toda la estructura se desmorona cuando se quita el agua, especialmente cuando se aplica cualquier tipo de fuerza externa ".

Sin embargo, ella y su equipo han diseñado una nueva clase de pequeñas moléculas que se ensamblan espontáneamente en nanocintas con una fuerza sin precedentes, conservando su estructura fuera del agua. Los resultados de este esfuerzo de varios años, que podría inspirar una amplia gama de aplicaciones, fueron descritos el 21 de enero de 2021 en Nature Nanotechnology .

La profesora Julia Ortony (izquierda) y el estudiante de doctorado Yukio Cho. Ortony y su equipo han diseñado una nueva clase de pequeñas moléculas que se ensamblan espontáneamente en nanocintas con una fuerza sin precedentes, conservando su estructura fuera del agua. Fuente: Lee Hopkins

El material que construyó el grupo del MIT, o mejor dicho, permitió que se construyera a sí mismo, 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.

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.  Las modificaciones a la estructura molecular fueron amplificadas por el comportamiento colectivo de las moléculas, creando nanoestructuras con propiedades mecánicas extremadamente robustas. El siguiente paso, descubrir las aplicaciones más importantes.

Fuente: “Self-assembly of aramid amphiphiles into ultra-stable nanoribbons and aligned nanoribbon threads” by Ty Christoff-Tempesta, Yukio Cho, Dae-Yoon Kim, Michela Geri, Guillaume Lamour, Andrew J. Lew, Xiaobing Zuo, William R. Lindemann and Julia H. Ortony, 18 January 2021, Nature NanotechnologyDOI: 10.1038/s41565-020-00840-w

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