Desde el punto de vista químico, un gel es una red de largas cadenas de moléculas diluidas en un fluido. Aire, por ejemplo, en el caso de los llamados aerogeles. O agua para hidrogeles. Estos están en todas partes en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, en lentes de contacto donde hay un hidrogel de silicona. En los pañales de nuestros bebés o en las toallas higiénicas también. Y en sensores de pH o temperatura. Incluso en baterías o supercondensadores.
El problema de los hidrogeles es que el agua que los compone, a veces más del 99 %, tiende a evaporarse. Para sortear este obstáculo a su uso práctico, los investigadores imaginaron reemplazar el agua con lo que llaman líquidos iónicos. Porque estos, precisamente, no se evaporan.
Los líquidos iónicos son sales compuestas por aniones y cationes y cuyo punto de fusión se encuentra generalmente por debajo de la temperatura ambiente. Son buenos conductores de la electricidad. También exhiben una alta estabilidad electroquímica y térmica. Y hay muchos tipos con diferentes propiedades químicas y físicas. Imagina sintetizar una serie de ionogeles -geles, por tanto, cuyo fluido es un líquido iónico- con diversas propiedades.
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Materiales: de hidrogeles a ionogeles
Sin embargo, hasta entonces, estos ionogeles no tenían propiedades mecánicas muy ventajosas. Con una molesta tendencia a ser frágil. Pero investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Estados Unidos) ahora parecen haber encontrado la solución. Han desarrollado un ionogel líquido que es casi un 70% pero extremadamente resistente. Comprende que es capaz de disipar mucha energía cuando intentas deformarlo. Difícil, en estas condiciones, romperlo.
Para entender, vale recordar que para endurecer los hidrogeles, los investigadores ya imaginaron agregar lo que llaman “enlaces secundarios”. Enlaces, del tipo iónico o de hidrógeno, que pueden romperse y reformarse a medida que avanza la deformación. Obtuvieron así geles con una resistencia a la rotura del orden de los diez megapascales. Un poco como el caucho natural o el cartílago, en definitiva.
Luego, los químicos pensaron en aplicar el mismo principio a los ionogeles, cuya resistencia a la rotura no superaba el megapascal. Pero el proceso resultó ser demasiado complejo. Es por eso que los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte eligieron otro camino, confiando en la copolimerización.
© Universidad Estatal de Carolina del Norte
El nuevo ionogel imaginado por los investigadores es mucho más resistente que los demás.
En el origen de este nuevo material, flexible y resistente, están los monómeros de ácido poliacrílico -el que se encuentra en los pañales para bebés- y poliacrilamida -la que se usa en las lentes de contacto. Al colocarlos en una solución de líquido iónico e iluminarlos con luz ultravioleta, los investigadores pudieron obtener un copolímero compuesto por ácido poliacrílico, poliacrilamida y el propio líquido iónico. ¡Una forma, según los químicos, de conseguir que “1 + 1 son 10”! Con un nuevo material que es más elástico que el ácido poliacrílico y más fuerte que la poliacrilamida.
Pero, ¿qué pasó para llegar allí? En principio, uno de los monómeros es el origen de un polímero poco soluble en el líquido iónico utilizado. Por el contrario, el otro es muy soluble. Así, cuando estos dos monómeros se copolimerizan en las proporciones adecuadas, su fase se separa in situ. Luego observamos la formación de pequeños dominios de polímeros poco solubles, interconectados por una red gomosa y solvatada. Estos dominios forman enlaces de hidrógeno que disipan energía. Mientras que la fase rica en disolvente permite grandes deformaciones al material.
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Muchas aplicaciones potenciales para este nuevo material.
La técnica allana el camino para muchas aplicaciones nuevas. Contando con las propiedades casi a la carta de estos ionogeles. Pero también porque se pueden producir fácilmente e imprimir en 3D. Y que tienen propiedades de autocuración y memoria de forma. Expuestas al calor, dos piezas de este material se juntan, formando fuertes lazos. Asimismo, una vez deformado el material, basta con calentarlo para que recupere su forma original. Todo en unas pocas decenas de segundos para una temperatura de tan solo 60°C.
Finalmente, los investigadores señalan que a partir de monómeros no tóxicos, todavía es posible imaginar ionogeles resistentes y biocompatibles para aplicaciones en el campo de la salud.
El video que muestra las sorprendentes propiedades del nuevo ionogel desarrollado por los investigadores. © Michael Dickey, Universidad Estatal de Carolina del Norte, YouTube
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