Investigadores del MIT han creado un polímero ligero y casi impermeable a gases, ideal para proteger paneles solares y estructuras contra la corrosión, extendiendo la vida útil de materiales expuestos.
Investigadores del MIT han desarrollado un innovador film de polímero ligero que es casi impenetrable para las moléculas de gas. Este avance abre la puerta a su uso como recubrimiento protector, capaz de prevenir la corrosión en células solares y otras infraestructuras, además de ralentizar el envejecimiento de alimentos y medicamentos envasados.
El polímero, que puede aplicarse como una película de solo unos nanómetros de grosor, repela completamente el nitrógeno y otros gases, según los hallazgos obtenidos con equipos de laboratorio. Esta notable impermeabilidad no se había observado antes en ningún otro polímero y rivaliza con la impermeabilidad de materiales cristalinos delgados como el grafeno.
“Nuestro polímero es bastante inusual. Se produce a partir de una reacción de polimerización en fase solución, pero su comportamiento es similar al grafeno, que es impermeable a los gases debido a su estructura cristalina perfecta. Sin embargo, al examinar este material, nunca se podría confundir con un cristal perfecto”, explica Michael Strano, profesor de Ingeniería Química en el MIT.
El film polimérico, que los investigadores describen en la revista Nature, se fabrica mediante un proceso escalable que permite su producción en grandes cantidades y su aplicación sobre superficies mucho más sencilla que la del grafeno. Junto a Strano, Scott Bunch, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Boston, es uno de los autores principales del estudio.
Los autores principales del artículo son Cody Ritt, exinvestigador postdoctoral del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Colorado en Boulder; Michelle Quien, estudiante graduada del MIT; y Zitang Wei, científico investigador en el MIT.
Burbujas que no colapsan
Strano y su equipo reportaron por primera vez este material novedoso —un polímero bidimensional conocido como 2D polyaramid— en 2022. Para crear estas láminas poliméricas bidimensionales, utilizaron un bloque constructivo llamado melamina, compuesto por un anillo de átomos de carbono y nitrógeno. En condiciones adecuadas, estos monómeros pueden expandirse en dos dimensiones formando discos a escala nanométrica que se apilan entre sí gracias a enlaces de hidrógeno que les otorgan gran estabilidad y resistencia.
Este polímero, denominado 2DPA-1, es más fuerte que el acero pero tiene solo una sexta parte de su densidad. En estudios previos centrados en probar la resistencia del material, también realizaron investigaciones preliminares sobre su permeabilidad al gas. Para ello, crearon “burbujas” con las películas llenándolas con gas. A diferencia de otros polímeros convencionales donde el gas atrapado tiende a filtrarse rápidamente causando el colapso de la burbuja, las burbujas hechas con 2DPA-1 no se desinflaron; algunas creadas en 2021 aún permanecen infladas.
“Me sorprendió bastante al principio”, comenta Ritt. “El comportamiento de las burbujas no seguía lo esperado para un polímero permeable típico. Esto nos obligó a replantear cómo estudiar y entender adecuadamente el transporte molecular a través de este nuevo material”. Strano añade: “Establecimos una serie de experimentos cuidadosos para demostrar primero que el material es molecularmente impermeable al nitrógeno”.
A diferencia de los polímeros tradicionales que permiten el paso de gases debido a su estructura desordenada y sus enlaces flojos entre cadenas moleculares —que dejan pequeños huecos—, el nuevo polímero 2D es esencialmente impermeable gracias a la forma en que las capas se adhieren entre sí.
Resultados sobresalientes
Aparte del nitrógeno, los investigadores expusieron el polímero al helio, argón, oxígeno, metano y hexafluoruro de azufre. Descubrieron que la permeabilidad del 2DPA-1 hacia esos gases era al menos diez mil veces menor que cualquier otro polímero existente. Esto lo hace casi tan impermeable como el grafeno.
Aunque los científicos han trabajado en desarrollar recubrimientos basados en grafeno para prevenir la corrosión en células solares y otros dispositivos, escalar su producción ha sido complicado debido a su dificultad para ser aplicados sobre superficies. “Solo podemos hacer grafeno cristalino en parches muy pequeños”, aclara Strano.
No obstante, el 2DPA-1 se adhiere fácilmente gracias a los fuertes enlaces de hidrógeno entre sus discos apilados. En este estudio se demostró que una capa apenas 60 nanómetros gruesa puede extender la vida útil de un cristal perovskita durante semanas. Estos materiales son prometedores como células solares económicas y ligeras pero tienden a descomponerse más rápido que las células solares convencionales basadas en silicio.
Dicha capa permitió aumentar la duración del perovskita hasta aproximadamente tres semanas; sin embargo, una capa más gruesa ofrecería protección adicional según indican los investigadores. Las películas podrían aplicarse también sobre diversas estructuras como puentes o edificios expuestos a condiciones climáticas adversas.
"Con un recubrimiento impermeable como este podrías proteger infraestructuras como puentes o vehículos automotores", concluye Strano. Además menciona aplicaciones potenciales para sensores capaces de detectar moléculas diminutas incluyendo moléculas gaseosas.
Esta investigación fue financiada parcialmente por el Centro para el Transporte Nanofluidico Mejorado - Fase 2, un Centro Avanzado financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía estadounidense así como por la Fundación Nacional de Ciencias.