Químicos de la Universidad de California, Berkeley, han creado un nuevo tipo de material a partir de millones de moléculas idénticas entrelazadas que, por primera vez, permite la síntesis de extensas estructuras 2D o 3D que son flexibles, fuertes y resistentes, como la cota de malla que protegía caballeros

El material, llamado catenano infinito, se puede sintetizar en un solo paso químico.

El químico francés Jean-Pierre Sauvage compartió el Premio Nobel de Química 2016 por sintetizar el primer catenano : dos anillos enlazados. Estas estructuras sirvieron como base para hacer estructuras moleculares capaces de moverse, que a menudo se denominan máquinas moleculares.

Pero la síntesis química de catenanos sigue siendo laboriosa. Agregar cada anillo adicional a un catenano requiere otra ronda de síntesis química. En los 24 años transcurridos desde que Sauvage creó una catenana de dos anillos, los químicos han logrado, como máximo, 130 anillos entrelazados en cantidades demasiado pequeñas para verlas sin un microscopio electrónico.

El nuevo tipo de catenano, producido en el laboratorio de Omar Yaghi, profesor de química de UC Berkeley, se puede producir con un número ilimitado de unidades enlazadas en tres dimensiones. Debido a que las unidades individuales se entrelazan mecánicamente y no están conectadas por enlaces químicos, las estructuras se pueden flexionar sin romperse.

« Creemos que esto tiene implicaciones realmente importantes, no solo en términos de fabricación de materiales resistentes que no se fracturan, sino también materiales que se usarían en robótica, aeroespacial, trajes blindados y cosas como esta », dijo Yaghi, James and Neeltje. Tretter Chair Profesor de Química, codirector del Kavli Energy NanoSciences Institute y California Research Alliance de BASF, y científico jefe del Bakar Institute of Digital Materials for the Planet de UC Berkeley.

Yaghi y sus colegas, incluido el primer autor Tianqiong Ma, becario postdoctoral de UC Berkeley, informaron detalles del proceso químico esta semana en la revista Nature Synthesis.

química reticular

El salto adelante en la producción de catenano es posible gracias a un tipo de química que Yaghi inventó hace más de 30 años: la química reticular. Él lo describe como « unir bloques de construcción moleculares en estructuras cristalinas extendidas mediante fuertes enlaces ».

Utilizando esta técnica, ha creado materiales porosos económicos (estructuras metal-orgánicas (MOF) y estructuras orgánicas covalentes (COF)) que están demostrando ser útiles para capturar, almacenar o separar gases como el dióxido de carbono, el hidrógeno y el vapor de agua. Hasta la fecha se han fabricado más de 100.000 variedades de MOF.

Para hacer MOF, solo es necesario sintetizar las moléculas híbridas correctas (agrupaciones de metales conectadas a un ligando orgánico) y mezclarlas en una solución para que se unan y formen una red 3D rígida y altamente porosa. Los grupos químicos dentro del marco se eligen para unirse y liberar, dependiendo de la temperatura, moléculas específicas y rechazar otras.

Un MOF creado por Yaghi puede extraer agua incluso del aire más seco y luego liberarla cuando se calienta, lo que permite capturar agua en los desiertos.

Para hacer catenanos, Yaghi y Ma sintetizaron una molécula con un cruce entre dos mitades idénticas, unidas covalentemente por un átomo de cobre. La estructura, lo que llaman una catena-COF, recuerda a dos boomerangs enlazados con un átomo de cobre donde se cruzan. Cuando se mezclan, estas moléculas se unen para formar una red 3D porosa de bloques de construcción entrelazados. Los bloques de construcción, un tipo de molécula poliédrica llamada adamantano, esencialmente bloquean sus seis brazos para formar un marco extendido.

« Lo nuevo aquí es que las unidades de construcción tienen estos cruces, y debido a los cruces, obtienes sistemas entrelazados que tienen propiedades interesantes, flexibles y resistentes », dijo Yaghi. « Están programados para unirse en un solo paso. Ese es el poder de la química reticular. En lugar de construirlos una unidad a la vez para hacer la estructura más grande, en realidad los tienes programados para que se unan y crezcan solos ».. »

La molécula con un cruce se puede alterar químicamente para que el catenano final interactúe con compuestos específicos. Yaghi llama a estos materiales(∞) catenanos, usando el símbolo de infinito.

« Creo que es un primer paso hacia la fabricación de materiales que puedan flexionarse y potencialmente endurecerse en respuesta a estímulos, como un movimiento particular », dijo. « Entonces, en ciertas orientaciones, podría ser muy flexible, y en otras orientaciones, podría volverse rígido, solo por la forma en que está construida la estructura ».

Señaló que si bien estos catenanos se extienden en tres direcciones a nivel microscópico, pueden hacerse lo suficientemente delgados para usos bidimensionales, como en la ropa. Recientemente, algunos científicos informaron que han creado MOF y COF mediante impresión 3D, por lo que también es posible imprimir catenanos en 3D, de manera muy similar a tejer una tela.

« Tradicionalmente, este entrelazamiento se ha realizado a través de un arduo proceso de varios pasos para hacer solo moléculas que tienen uno, dos o tres anillos entrelazados, o poliedros. Pero para hacer materiales que tengan propiedades sorprendentes, como dureza y resiliencia, se necesitan millones y millones. que se hagan estos enclavamientos », dijo. « La forma tradicional de hacerlos simplemente no es suficiente. Y la química reticular entra con el enfoque de bloques de construcción y encuentra la manera de hacerlo en un solo paso. Ese es realmente el poder de este informe ».

El trabajo fue apoyado en parte por la Ciudad Rey Abdulaziz para la Ciencia y la Tecnología y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, HR001-119-S-0048). Los investigadores utilizaron recursos de la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (DOE DE-AC02-05CH11231).