Polímeros bidimensionales interconectados mecánicamente

 

    Gracias a avances recientes en los métodos de síntesis, los enlaces mecánicos entre moléculas con subunidades interconectadas -que solo pueden separarse al distorsionar sus enlaces químicos- se utilizan ahora como componentes funcionales en sistemas moleculares. Este avance dio origen a un nuevo campo: la nanotecnología molecular. En él, mediante el control de los movimientos relativos de las subunidades moleculares, es posible construir interruptores y motores moleculares, sistemas de almacenamiento de información y otros dispositivos que operan fuera del equilibrio. En polímeros o materiales en bulto, estas interconexiones confieren propiedades mecánicas únicas.

Un equipo de investigadores de varias universidades de Estados Unidos desarrolló un proceso de polimerización en estado sólido mediante el cual, un monómero cristalino con estructura laminar, 2D-TPE-PhOH (tetrafeniletileno-fenol), se interconecta con otro monómero cristalino idéntico a base de puentes de hidrógeno entre radicales hidroxilo en los extremos que reaccionan selectivamente para formar interconexiones con siloxano,  que resultan de la reacción con SiMe₂Cl₂ (dialquildiclorosilano). De esta forma se forma un macrociclo que consiste de dos polímeros cristalinos-2D interconectados por medio del siloxano, que se puede repetir. El resultado es un sólido con estructura laminar que se separa fácilmente en disolventes orgánicos comunes. El material disperso, hasta de monocapas atómicas 2-D, se puede caracterizar con los métodos  modernos de microscopía electrónica de transmisión con resolución atómica y así se confirma su estructura cristalina  y flexible. Con este método se logran materiales a escala de multigramos. A este tipo de materiales se les llama materiales interconectados mecánicamente (MIM por sus siglas del inglés mechanically interlocked materials). Anteriormente, estos autores ya habían reportado la cristalización de la estructura MIM 2-D de TPE-PhOH.

Los MIMs se han utilizado para la producción de fibras, mezclándolos con Ultem, un termoplástico de polieterimida (PEI) con excepcionales propiedades mecánicas y térmicas. Este material en sí tiene una mayor rigidez y resistencia, y la adición de un 2.5% en peso del nuevo polímero 2D a las fibras de polieterimida ha aumentado su módulo de elasticidad en un 45% y su tensión límite (esfuerzo máximo o esfuerzo último) en un 22%.

Con este trabajo se demuestra la capacidad de diseñar y construir arquitecturas de polímeros interconectados y MIMs-2D, que de otra manera serían inaccesibles y que constituyen una clase diferente de polímeros para estudios básicos y novedosas aplicaciones.

Más información en: SCIENCE

Síntesis de metales bidimensionales por compresión van der Waals (vdW)

 

Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, los materiales bidimensionales (2D) han llamado la atención de la comunidad científica. A la fecha, se conoce una gran variedad de materiales 2D, como los MXenos y los dicalcogenuros de metales de transición o las monocapas formadas por un solo tipo de átomos de algunos elementos (entre ellos C, Si, Ge, P). La mayoría de estos materiales crece tridimensionalmente formando estructuras gobernadas por fuerzas de van der Waals (vdW), por lo que la exfoliación de una capa a escala atómica puede ser obtenida fácilmente. 

Sin embargo, este no es el caso de los metales, pues éstos crecen tridimensionalmente mediante la fuerte interacción de sus enlaces químicos. Hasta ahora se creía que obtener una capa a escala atómica de cualquier metal era prácticamente imposible, pues además sería termodinámicamente inestable.

Recientemente, un grupo de investigadores de China logró obtener metales bidimensionales con espesores del orden de ángstroms mediante una técnica denominada compresión vdW. Para realizar este proceso, primero crecieron una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2) sobre sustrato de zafiro. Esta doble capa funciona como soporte o yunque inferior. Sobre la monocapa de MoS2 colocaron una cantidad de metal que calentaron hasta formar una gota. Sobre la gota de metal colocaron otro yunque de MoS2/zafiro, situando el MoS2 en contacto con el metal fundido. A continuación, ejercieron una presión de 200 MPa que se mantuvo hasta que ambos yunques regresaron a la temperatura ambiente. El metal 2D se obtuvo mediante un proceso de clivado para separar la capa MoS2/metal-2D/MoS2 de los sustratos de zafiro. 

Mediante esta simple y efectiva técnica se han logrado obtener metales bidimensionales empleando Bi, Sn, Pb, In y Ga. Las propiedades de transporte medidas mediante espectroscopía Raman en Bi 2D revelan una mejora en la conductividad eléctrica, así como en el efecto de campo y mayor conductividad por efecto Hall no lineal.

Así se abre la puerta a una nueva línea de investigación dedicada al estudio de los metales, aleaciones y materiales no laminares a escala 2D, y el estudio de sus propiedades e implementación en diferentes dispositivos tecnológicos.

Mas información en: Nature