Los científicos crean un nuevo material cinco veces más ligero y cuatro veces más resistente que el acero

Por Universidad de Connecticut 31 de julio de 2023

Investigadores de la Universidad de Connecticut y sus colegas han creado un material liviano y muy duradero estructurando el ADN y luego recubriéndolo con vidrio. El producto resultante, caracterizado por su estructura nanorreticular, exhibe una combinación única de resistencia y baja densidad, lo que lo hace potencialmente útil en aplicaciones como la fabricación de vehículos y chalecos antibalas. (Concepto del artista).

Materials possessing both strength and lightness have the potential to enhance everything from automobiles to body armor. But usually, the two qualities are mutually exclusive. However, researchers at the University of Connecticut, along with their collaborators, have now crafted an incredibly strong yet lightweight material. Surprisingly, they achieved this using two unexpected building blocks: DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ADN y vidrio.

“For the given density, our material is the strongest known,” says Seok-Woo Lee, a materials scientist at UConn. Lee and colleagues from UConn, Columbia University, and Brookhaven National Lab report the details on July 19 in Cell Reports<em>Cell Reports</em> is a peer-reviewed scientific journal that published research papers that report new biological insight across a broad range of disciplines within the life sciences. Established in 2012, it is the first open access journal published by Cell Press, an imprint of Elsevier." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Informes celulares de ciencias físicas.

La fuerza es relativa. El hierro, por ejemplo, puede soportar 7 toneladas de presión por centímetro cuadrado. Pero también es muy denso y pesado, con un peso de 7,8 gramos por centímetro cúbico. Otros metales, como el titanio, son más fuertes y ligeros que el hierro. Y ciertas aleaciones que combinan múltiples elementos son aún más fuertes. Los materiales resistentes y livianos han permitido fabricar chalecos antibalas livianos, mejores dispositivos médicos y automóviles y aviones más seguros y rápidos.

Los científicos de materiales de la Universidad de Connecticut y el Laboratorio Nacional Brookhaven construyeron un material liviano y excepcionalmente resistente a partir de ADN y vidrio. La serie de imágenes en la parte superior (A) muestra cómo el esqueleto de la estructura se ensambla con ADN y luego se recubre con vidrio. (B) muestra una imagen de microscopio electrónico de transmisión del material, y (C) muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido del mismo, con los dos paneles de la derecha acercándose a características a diferentes escalas. Crédito: Universidad de Connecticut

La forma más sencilla de ampliar la autonomía de un vehículo eléctrico, por ejemplo, no es aumentar la batería, sino hacer que el vehículo sea más ligero sin sacrificar la seguridad ni la vida útil. Pero las técnicas metalúrgicas tradicionales han llegado a un límite en los últimos años, y los científicos de materiales han tenido que ser aún más creativos para desarrollar nuevos materiales ligeros y de alta resistencia.

Ahora, Lee y sus colegas informan que al construir una estructura a partir de ADN y luego recubrirla con vidrio, han creado un material muy fuerte con muy baja densidad. El vidrio puede parecer una elección sorprendente, ya que se rompe fácilmente. Sin embargo, el vidrio normalmente se rompe debido a un defecto (como una grieta, un rasguño o la falta de átomos) en su estructura. Un impecable centímetro cúbico de vidrio puede soportar 10 toneladas de presión, más de tres veces la presión que hizo implosionar el sumergible Oceangate Titan cerca del Titanic el mes pasado.

Es muy difícil crear un gran trozo de vidrio sin defectos. Pero los investigadores sabían cómo hacer piezas muy pequeñas e impecables. Mientras el vidrio tenga menos de un micrómetro de espesor, casi siempre será impecable. Y dado que la densidad del vidrio es mucho menor que la de los metales y la cerámica, cualquier estructura hecha de vidrio nanométrico impecable debe ser fuerte y liviana.

El equipo creó una estructura de ADN autoensamblado. Casi como Magnatiles, piezas de ADN de longitudes y químicas específicas se unieron formando un esqueleto del material. Imagínese la estructura de una casa o edificio, pero hecha de ADN.

Oleg Gang and Aaron Mickelson, nanomaterials scientists at Columbia UniversityColumbia University is a private Ivy League research university in New York City that was established in 1754. This makes it the oldest institution of higher education in New York and the fifth-oldest in the United States. It is often just referred to as Columbia, but its official name is Columbia University in the City of New York." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La Universidad de Columbia y el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven, luego cubrieron el ADN con una capa muy delgada de material similar al vidrio de sólo unos pocos cientos de átomos de espesor. El vidrio apenas cubrió las hebras de ADN, dejando una gran parte del volumen material como espacio vacío, muy parecido a las habitaciones dentro de una casa o edificio.

El esqueleto de ADN reforzó la delgada e impecable capa de vidrio, haciendo que el material fuera muy resistente, y los huecos que comprenden la mayor parte del volumen del material lo hicieron liviano. Como resultado, las estructuras de nanoredes de vidrio tienen una resistencia cuatro veces mayor pero una densidad cinco veces menor que el acero. Esta inusual combinación de ligereza y alta resistencia nunca se había logrado antes.

“La capacidad de crear nanomateriales estructurales 3D diseñados utilizando ADN y mineralizarlos abre enormes oportunidades para diseñar propiedades mecánicas. Pero aún queda mucho trabajo de investigación antes de que podamos utilizarlo como tecnología”, afirma Gang.

El equipo está trabajando actualmente con la misma estructura de ADN, pero sustituyendo el vidrio por cerámicas de carburo aún más resistentes. Tienen planes de experimentar con diferentes estructuras de ADN para ver cuál hace que el material sea más fuerte. Los materiales futuros basados ​​en este mismo concepto son muy prometedores como materiales de ahorro de energía para vehículos y otros dispositivos que priorizan la resistencia. Lee cree que la nanoarquitectura de origami de ADN abrirá un nuevo camino para crear materiales más ligeros y resistentes que nunca antes habíamos imaginado.

“Soy un gran admirador de las películas de Iron Man y siempre me he preguntado cómo crear una mejor armadura para Iron Man. Debe ser muy ligero para que vuele más rápido. Debe ser muy fuerte para protegerlo de los ataques de los enemigos. Nuestro nuevo material es cinco veces más ligero pero cuatro veces más resistente que el acero. Por lo tanto, nuestras nanorrejillas de vidrio serían mucho mejores que cualquier otro material estructural para crear una armadura mejorada para Iron Man”.

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, Cell Reports Physical Science.DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475