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Un nuevo material gelatinoso de diseño es capaz de soportar el equivalente a un coche que pasa sobre él y recuperar completamente su forma original, a pesar de que es un 80% de agua.
El material suave pero resistente, desarrollado por un equipo de la Universidad de Cambridge, se ve y se siente como una gelatina blanda, pero actúa como un vidrio ultraduro e irrompible cuando se comprime, a pesar de su alto contenido de agua.
La parte no acuosa del material es una red de polímeros que se mantienen unidos mediante interacciones reversibles de encendido y apagado que controlan las propiedades mecánicas del material. Esta es la primera vez que se incorpora una resistencia a la compresión tan significativa en un material blando.
La "super gelatina" podría utilizarse para una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la robótica blanda, la bioelectrónica o incluso como un reemplazo de cartílago para uso biomédico. Los resultados se publican en la revista Nature Materials.
La forma en que se comportan los materiales, ya sean suaves o firmes, quebradizos o fuertes, depende de su estructura molecular. Los hidrogeles elásticos similares al caucho tienen muchas propiedades interesantes que los convierten en un tema de investigación popular, como su dureza y capacidad de autocuración, pero hacer hidrogeles que puedan resistir la compresión sin aplastarse es un desafío.
"Para fabricar materiales con las propiedades mecánicas que queremos, utilizamos reticuladores, donde dos moléculas se unen a través de un enlace químico", dijo en un comunicado el doctor Zehuan Huang del Departamento de Química de Yusuf Hamied, primer autor del estudio. "Usamos reticuladores reversibles para hacer hidrogeles suaves y elásticos, pero hacer un hidrogel duro y comprimible es difícil y diseñar un material con estas propiedades es completamente contradictorio".
Trabajando en el laboratorio del profesor Oren Scherman, quien dirigió la investigación, el equipo usó moléculas en forma de barril llamadas cucurbiturilos para hacer un hidrogel que puede resistir la compresión. El cucurbituril es la molécula de reticulación que contiene dos moléculas invitadas en su cavidad, como un grillete molecular. Los investigadores diseñaron moléculas invitadas que prefieren permanecer dentro de la cavidad durante más tiempo de lo normal, lo que mantiene la red de polímero estrechamente unida, lo que le permite resistir la compresión.
"Con un 80% de contenido de agua, uno pensaría que se rompería como un globo de agua, pero no es así: permanece intacto y soporta enormes fuerzas de compresión", dijo Scherman, director del Laboratorio Melville de Síntesis de Polímeros de la Universidad. "Las propiedades del hidrogel aparentemente están en desacuerdo".
"La forma en que el hidrogel puede resistir la compresión fue sorprendente, no se parecía a nada de lo que hayamos visto en los hidrogeles", dijo el coautor, el Dr. Jade McCune, también del Departamento de Química. "También descubrimos que la resistencia a la compresión se podía controlar fácilmente simplemente cambiando la estructura química de la molécula huésped dentro de los grilletes".
Para hacer sus hidrogeles similares al vidrio, el equipo eligió moléculas específicas para los grilletes. La alteración de la estructura molecular de las moléculas invitadas dentro de los grilletes permitió que la dinámica del material se "ralentizara" considerablemente, con el rendimiento mecánico del hidrogel final en un rango de estados similares al caucho al vidrio.
"La gente ha pasado años fabricando hidrogeles similares al caucho, pero eso es solo la mitad del panorama", dijo Scherman. "Hemos revisado la física tradicional de los polímeros y hemos creado una nueva clase de materiales que abarcan toda la gama de propiedades de los materiales, desde similares al caucho hasta similares al vidrio, completando la imagen completa".
Los investigadores utilizaron el material para hacer un sensor de presión de hidrogel para el monitoreo en tiempo real de los movimientos humanos, como estar de pie, caminar y saltar.
"Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se fabrican hidrogeles similares al vidrio. No solo estamos escribiendo algo nuevo en los libros de texto, lo cual es realmente emocionante, sino que estamos abriendo un nuevo capítulo en el área de materiales blandos de alto rendimiento", dijo Huang.
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