Un investigador corta la “piel” artificial con un bisturí. Imagen: Linda A. Cicero. Fuente: Stanford News Service.
Un equipo de químicos e ingenieros de la Universidad de Stanford ha creado el primer material sintético que es sensible al tacto y capaz de repararse solo de forma rápida y repetida, a temperatura ambiente.
El avance podría servir para fabricar prótesis inteligentes o aparatos electrónicos personales más resistentes y autorreparables, publica la Universidad de Stanford en un comunicado.
Los investigadores que intentan imitar la piel humana conocen bien sus sorprendentes características. Nuestra piel no solo es sensible –para enviar al cerebro la información que este precisa sobre presión y temperatura- sino que también constituye una barrera protectora contra el medio.
La combinación de estas dos características en un material sintético suponía un apasionante reto para la profeosra de ingeniería química de Stanford, Zhenan Bao y su equipo de colaboradores.
Lo que este grupo de investigadores ha conseguido es crear el primer material que puede tanto detectar la presión sutil como autorrepararse cuando se rompe o se corta. Los resultados del presente trabajo han aparecido publicados en la revista Nature Nanotechnology.
En la última década, se han producido importantes avances en la fabricación de piel sintética, afirma Bao, investigadora principal del estudio, pero incluso los materiales de autorreparación más eficaces conseguidos hasta ahora han presentado serios inconvenientes.
Por ejemplo, para funcionar, algunos de ellos deben ser expuestos a altas temperaturas, lo que hace poco práctico su uso corriente. Otros son capaces de autorrepararse a temperatura ambiente, pero cuando se autorreparan, por ejemplo, de un corte, su estructura mecánica o química cambia, por lo que sólo pueden autorrepararse una sola vez. Por último, y lo más importante, ningún material autorreparable de los fabricados hasta el momento ha resultado ser un buen conductor de electricidad.
Y "para la interacción de este tipo de materiales con el mundo digital, lo ideal es que estos sean buenos conductores", señala Benjamin Chee Keong-Tee, autor principal del artículo de Nature Nanotechnology.
Una nueva receta
Los investigadores lograron crear este nuevo material autorreparable combinando dos “ingredientes”. De esta manera lograron mezclar lo que Bao llama "lo mejor de ambos mundos": la capacidad de autorreparación de los polímeros plásticos y la conductividad de los metales.
Los científicos comenzaron su investigación con un plástico constituido por largas cadenas de moléculas unidas por puentes de hidrógeno (constituidos por la atracción relativamente débil de la región cargada positivamente de cada átomo de hidrógeno y la región cargada negativamente del siguiente átomo).
"Estos vínculos dinámicos permiten que el material se autorrepare", explica Chao Wang, co-autor del estudio. Las moléculas se rompen con facilidad, pero luego, cuando son reconectadas, los vínculos o puentes se reorganizan a sí mismos de nuevo, restaurando la estructura del material dañado, añade Wang. El resultado fue un material flexible y autorreparable, incluso a temperatura ambiente.
En una segunda fase de la investigación, Bao y sus colaboradores agregaron a este polímero elástico pequeñas partículas de níquel (metal de transición de color blanco plateado, conductor de la electricidad y del calor), con las que aumentaron su resistencia mecánica. A nanoescala, las superficies de estas partículas son ásperas, lo que resultó clave en la fabricación del material conductor.
Tee compara estas asperezas superficiales con "mini-machetes": cada borde que sobresale concentra un campo eléctrico, lo que facilita el flujo de corriente entre las partículas. El resultado obtenido fue un polímero con características poco comunes: "La mayoría de los plásticos son buenos aislantes, pero este es un excelente conductor", afirma Bao.
El avance podría servir para fabricar prótesis inteligentes o aparatos electrónicos personales más resistentes y autorreparables, publica la Universidad de Stanford en un comunicado.
Los investigadores que intentan imitar la piel humana conocen bien sus sorprendentes características. Nuestra piel no solo es sensible –para enviar al cerebro la información que este precisa sobre presión y temperatura- sino que también constituye una barrera protectora contra el medio.
La combinación de estas dos características en un material sintético suponía un apasionante reto para la profeosra de ingeniería química de Stanford, Zhenan Bao y su equipo de colaboradores.
Lo que este grupo de investigadores ha conseguido es crear el primer material que puede tanto detectar la presión sutil como autorrepararse cuando se rompe o se corta. Los resultados del presente trabajo han aparecido publicados en la revista Nature Nanotechnology.
En la última década, se han producido importantes avances en la fabricación de piel sintética, afirma Bao, investigadora principal del estudio, pero incluso los materiales de autorreparación más eficaces conseguidos hasta ahora han presentado serios inconvenientes.
Por ejemplo, para funcionar, algunos de ellos deben ser expuestos a altas temperaturas, lo que hace poco práctico su uso corriente. Otros son capaces de autorrepararse a temperatura ambiente, pero cuando se autorreparan, por ejemplo, de un corte, su estructura mecánica o química cambia, por lo que sólo pueden autorrepararse una sola vez. Por último, y lo más importante, ningún material autorreparable de los fabricados hasta el momento ha resultado ser un buen conductor de electricidad.
Y "para la interacción de este tipo de materiales con el mundo digital, lo ideal es que estos sean buenos conductores", señala Benjamin Chee Keong-Tee, autor principal del artículo de Nature Nanotechnology.
Una nueva receta
Los investigadores lograron crear este nuevo material autorreparable combinando dos “ingredientes”. De esta manera lograron mezclar lo que Bao llama "lo mejor de ambos mundos": la capacidad de autorreparación de los polímeros plásticos y la conductividad de los metales.
Los científicos comenzaron su investigación con un plástico constituido por largas cadenas de moléculas unidas por puentes de hidrógeno (constituidos por la atracción relativamente débil de la región cargada positivamente de cada átomo de hidrógeno y la región cargada negativamente del siguiente átomo).
"Estos vínculos dinámicos permiten que el material se autorrepare", explica Chao Wang, co-autor del estudio. Las moléculas se rompen con facilidad, pero luego, cuando son reconectadas, los vínculos o puentes se reorganizan a sí mismos de nuevo, restaurando la estructura del material dañado, añade Wang. El resultado fue un material flexible y autorreparable, incluso a temperatura ambiente.
En una segunda fase de la investigación, Bao y sus colaboradores agregaron a este polímero elástico pequeñas partículas de níquel (metal de transición de color blanco plateado, conductor de la electricidad y del calor), con las que aumentaron su resistencia mecánica. A nanoescala, las superficies de estas partículas son ásperas, lo que resultó clave en la fabricación del material conductor.
Tee compara estas asperezas superficiales con "mini-machetes": cada borde que sobresale concentra un campo eléctrico, lo que facilita el flujo de corriente entre las partículas. El resultado obtenido fue un polímero con características poco comunes: "La mayoría de los plásticos son buenos aislantes, pero este es un excelente conductor", afirma Bao.
Autorreparación lograda
El siguiente paso de la investigación fue constatar que el material podía restaurar tanto su resistencia mecánica como su conductividad eléctrica tras ser dañado.
Para ello, los investigadores cogieron una tira delgada del material desarrollado, y la cortaron por la mitad con un bisturí. Tras presionar suavemente las piezas durante unos segundos, constataron que el material había recuperado el 75% de su fuerza y de su conductividad eléctrica originales. Además, en unos 30 minutos, el material quedó restaurado casi al 100%. "Incluso la piel humana tarda días en sanar. Así que creo que esto es muy bueno ", apunta Tee.
Asimismo, los científicos comprobaron que la misma muestra del material podía cortarse varias veces por el mismo sitio sin perder su capacidad autorreparadora. Después de 50 cortes y reparaciones, la muestra aún resistía la flexión y el estiramiento igual que al principio de las pruebas.
La naturaleza compuesta de este material ha resultado un auténtico desafío de ingeniería para el equipo de científicos porque, aunque el níquel resultó clave para hacer que el material fuera conductor y fuerte, también entorpeció el proceso de autorreparación, evitando que los enlaces de hidrógeno se reconectaran todo lo bien que debían.
Por eso, en futuras pruebas, Bao y su equipo planean ajustar el tamaño y la forma de las nanopartículas empleadas, e incluso las propiedades químicas del polímero, para evitar este problema.
De cualquier forma, los científicos han conseguido ya recrear de forma artificial una capacidad de autorreparación sorprendente. Según Wang: "Antes de nuestro trabajo, era muy difícil imaginar que este tipo de material flexible y conductor también pudiera autorrepararse."
El siguiente paso de la investigación fue constatar que el material podía restaurar tanto su resistencia mecánica como su conductividad eléctrica tras ser dañado.
Para ello, los investigadores cogieron una tira delgada del material desarrollado, y la cortaron por la mitad con un bisturí. Tras presionar suavemente las piezas durante unos segundos, constataron que el material había recuperado el 75% de su fuerza y de su conductividad eléctrica originales. Además, en unos 30 minutos, el material quedó restaurado casi al 100%. "Incluso la piel humana tarda días en sanar. Así que creo que esto es muy bueno ", apunta Tee.
Asimismo, los científicos comprobaron que la misma muestra del material podía cortarse varias veces por el mismo sitio sin perder su capacidad autorreparadora. Después de 50 cortes y reparaciones, la muestra aún resistía la flexión y el estiramiento igual que al principio de las pruebas.
La naturaleza compuesta de este material ha resultado un auténtico desafío de ingeniería para el equipo de científicos porque, aunque el níquel resultó clave para hacer que el material fuera conductor y fuerte, también entorpeció el proceso de autorreparación, evitando que los enlaces de hidrógeno se reconectaran todo lo bien que debían.
Por eso, en futuras pruebas, Bao y su equipo planean ajustar el tamaño y la forma de las nanopartículas empleadas, e incluso las propiedades químicas del polímero, para evitar este problema.
De cualquier forma, los científicos han conseguido ya recrear de forma artificial una capacidad de autorreparación sorprendente. Según Wang: "Antes de nuestro trabajo, era muy difícil imaginar que este tipo de material flexible y conductor también pudiera autorrepararse."
Los investigadores Chao Wang, a la izquierda, y Benjamin Tee. Imagen: Linda A. Cicero. Fuente: Stanford News Service.
Sensible al tacto
Los investigadores exploraron por último cómo usar este material como sensor. Los electrones que forman la corriente eléctrica en la superficie del material pasan a través de esta como si estuvieran cruzando un arroyo, saltando de piedra en piedra.
En esta analogía, las piedras serían las partículas de níquel. La distancia que separa dichas partículas determina la cantidad de energía que un electrón tendrá que liberar para saltar de una “piedra” a otra.
Torcer o ejercer presión sobre la piel sintética cambia la distancia entre las partículas de níquel y, por tanto, la facilidad con la que los electrones pueden moverse. Estos cambios sutiles en la resistencia eléctrica pueden traducirse en información sobre la presión y la tensión del material, que sería entonces a funcionar como la piel humana.
Según Tee, las pruebas realizadas han demostrado que el material es lo suficientemente sensible como para detectar, por ejemplo, la presión de un apretón de manos. Podría, por tanto, resultar útil para la fabricación de prótesis sensibles.
Además, el material es sensible no solo a presiones leves, sino también a la flexión, por lo que, aplicado a una extremidad protésica, esta podría registrar el grado de curvatura de cualquier articulación.
Tee señala asimismo otras posibilidades comerciales del material desarrollado. Dispositivos eléctricos o cables recubiertos con él podrían autorrepararse y conseguir que la electricidad fluyera de nuevo por ellos, sin necesidad de un mantenimiento costoso y complejo. Esto resultaría especialmente útil en lugares de difícil acceso, como el interior de las paredes de edificios o vehículos.
El siguiente objetivo del equipo, según Bao, será conseguir que este material sea elástico y transparente, de modo que pueda usarse para embalajes o para superponerlo a dispositivos electrónicos y pantallas de visualización.
Los investigadores exploraron por último cómo usar este material como sensor. Los electrones que forman la corriente eléctrica en la superficie del material pasan a través de esta como si estuvieran cruzando un arroyo, saltando de piedra en piedra.
En esta analogía, las piedras serían las partículas de níquel. La distancia que separa dichas partículas determina la cantidad de energía que un electrón tendrá que liberar para saltar de una “piedra” a otra.
Torcer o ejercer presión sobre la piel sintética cambia la distancia entre las partículas de níquel y, por tanto, la facilidad con la que los electrones pueden moverse. Estos cambios sutiles en la resistencia eléctrica pueden traducirse en información sobre la presión y la tensión del material, que sería entonces a funcionar como la piel humana.
Según Tee, las pruebas realizadas han demostrado que el material es lo suficientemente sensible como para detectar, por ejemplo, la presión de un apretón de manos. Podría, por tanto, resultar útil para la fabricación de prótesis sensibles.
Además, el material es sensible no solo a presiones leves, sino también a la flexión, por lo que, aplicado a una extremidad protésica, esta podría registrar el grado de curvatura de cualquier articulación.
Tee señala asimismo otras posibilidades comerciales del material desarrollado. Dispositivos eléctricos o cables recubiertos con él podrían autorrepararse y conseguir que la electricidad fluyera de nuevo por ellos, sin necesidad de un mantenimiento costoso y complejo. Esto resultaría especialmente útil en lugares de difícil acceso, como el interior de las paredes de edificios o vehículos.
El siguiente objetivo del equipo, según Bao, será conseguir que este material sea elástico y transparente, de modo que pueda usarse para embalajes o para superponerlo a dispositivos electrónicos y pantallas de visualización.
Referencia bibliográfica:
Benjamin C-K. Tee, Chao Wang, Ranulfo Allen y Zhenan Bao, An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications. Nature Nanotechnology (2012) doi:10.1038/nnano.2012.192.
Benjamin C-K. Tee, Chao Wang, Ranulfo Allen y Zhenan Bao, An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications. Nature Nanotechnology (2012) doi:10.1038/nnano.2012.192.