24.01.2023 - University of California - UC Berkeley

Una nueva "cota de malla" de moléculas entrelazadas es resistente, flexible y fácil de fabricar

Nuevo proceso para fabricar catenanos de uso potencial en aviones, blindajes y otras necesidades resistentes

Químicos de la Universidad de California en Berkeley han creado un nuevo tipo de material a partir de millones de moléculas idénticas entrelazadas que permite por primera vez sintetizar extensas estructuras 2D o 3D flexibles, fuertes y resistentes, como la cota de malla que protegía a los caballeros medievales.

El material, denominado catenano infinito, puede sintetizarse en un solo paso químico.

El químico francés Jean-Pierre Sauvage compartió el Premio Nobel de Química de 2016 por sintetizar el primer catenano: dos anillos enlazados. Estas estructuras sirvieron de base para fabricar estructuras moleculares capaces de moverse, a las que se suele denominar máquinas moleculares.

Pero la síntesis química de los catenanos ha seguido siendo laboriosa. Añadir cada anillo adicional a un catenano requiere otra ronda de síntesis química. En los 24 años transcurridos desde que Sauvage creó un catenano de dos anillos, los químicos han conseguido, como mucho, apenas 130 anillos entrelazados en cantidades demasiado pequeñas para verlas sin un microscopio electrónico.

El nuevo tipo de catenano, producido en el laboratorio de Omar Yaghi, profesor de química de la UC Berkeley, puede fabricarse con un número ilimitado de unidades enlazadas en tres dimensiones. Como las unidades individuales se entrelazan mecánicamente y no están conectadas por enlaces químicos, las estructuras pueden flexionarse sin romperse.

"Creemos que esto tiene implicaciones realmente importantes, no sólo en términos de fabricación de materiales resistentes que no se fracturen, sino también de materiales que podrían utilizarse en robótica, aeronáutica, trajes blindados y cosas por el estilo", afirma Yaghi, catedrático de Química James y Neeltje Tretter, codirector del Instituto de Nanociencias Energéticas Kavli y de la Alianza de Investigación de BASF en California, y científico jefe del Instituto Bakar de Materiales Digitales para el Planeta de la Universidad de Berkeley.

Yaghi y sus colegas, entre ellos el primer autor, Tianqiong Ma, becario postdoctoral de la UC Berkeley, han dado a conocer esta semana los detalles del proceso químico en la revista Nature Synthesis.

Química reticular

El salto adelante en la producción de catenanos es posible gracias a un tipo de química que Yaghi inventó hace más de 30 años: la química reticular. La describe como "la unión de bloques moleculares en estructuras cristalinas y extendidas mediante enlaces fuertes".

Con esta técnica ha fabricado materiales porosos de bajo coste -marcos metalorgánicos (MOF) y marcos orgánicos covalentes (COF)- que están resultando útiles para capturar, almacenar o separar gases como el dióxido de carbono, el hidrógeno y el vapor de agua. Hasta la fecha se han fabricado más de 100.000 variedades de MOF.

Para fabricar MOF, sólo es necesario sintetizar las moléculas híbridas adecuadas -grupos metálicos conectados a un ligando orgánico- y mezclarlas en una solución para que se unan y formen una red tridimensional rígida y muy porosa. Los grupos químicos del interior de la estructura se eligen para unir y liberar -en función de la temperatura- moléculas específicas y rechazar otras.

Un MOF creado por Yaghi puede extraer agua incluso del aire más seco y liberarla cuando se calienta, lo que permite captar agua en los desiertos.

Para fabricar catenanos, Yaghi y Ma sintetizaron una molécula con un cruce entre dos mitades idénticas, unidas covalentemente por un átomo de cobre. La estructura, a la que denominan catenano-COF, recuerda a dos boomerangs enlazados con un átomo de cobre donde se cruzan. Cuando se mezclan, estas moléculas se enlazan para formar una red tridimensional porosa de bloques de construcción entrelazados. Los bloques de construcción, un tipo de molécula poliédrica llamada adamantano, bloquean esencialmente sus seis brazos para formar una estructura extendida.

"La novedad es que las unidades de construcción tienen estos cruces y, gracias a ellos, se obtienen sistemas entrelazados con propiedades interesantes, flexibles y resistentes", explica Yaghi. "Están programados para unirse en un solo paso. Ése es el poder de la química reticular. En lugar de construirlas de una en una para crear una estructura mayor, se programan para que se unan y crezcan por sí solas".

La molécula con un cruce puede alterarse químicamente para que el catenano final interactúe con compuestos específicos. Yaghi llama a estos materiales (∞) catenanos, utilizando el símbolo del infinito.

"Creo que es un primer paso hacia la fabricación de materiales que puedan flexionarse y, potencialmente, endurecerse en respuesta a estímulos, como un movimiento concreto", afirma. "Así, en determinadas orientaciones, podría ser muy flexible, y en otras, podría volverse rígido, simplemente por la forma en que está construida la estructura".

Señaló que, aunque estos catenanos se extienden en tres direcciones a nivel microscópico, pueden hacerse lo bastante finos para usos bidimensionales, como en la ropa. Recientemente, algunos científicos han informado de que han creado MOF y COF mediante impresión 3D, por lo que podría ser posible imprimir también catenanas en 3D, de forma parecida a como se teje una tela.

"Tradicionalmente, este entrelazamiento se ha hecho mediante un proceso arduo de varios pasos para hacer sólo moléculas que tienen uno o dos o tres anillos entrelazados, o poliedros. Pero para fabricar materiales con propiedades asombrosas, como dureza y elasticidad, se necesitan millones y millones de estos entrelazamientos", explica. "La forma tradicional de fabricarlos no es suficiente. Y la química reticular llega con el enfoque de los bloques de construcción y encuentra una manera de hacerlo en un solo paso. Ese es realmente el poder de este informe".

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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