En la Universidad de Stanford desarrollan piel plástica sensible al tacto y autocurable

Nadie conoce las increíbles propiedades de la piel humana como los investigadores que tratan de emularla. No solo es sensible (enviando al cerebro información precisa sobre presión y temperatura) sino que también se cura eficientemente para preservar una barrera protectora contra el mundo. Combinar estas dos características en un solo material sintético presentó un reto emocionante para Zhenan Bao, profesor e ingeniero químico de Standford, y su equipo.

Bao y su equipo han conseguido exitosamente crear el primer material que puede sentir presiones sensibles, al tiempo que tiene propiedades de autocuración, cuando se rasga o se corta. Sus avances fueron publicados recientemente, en la revista Nature Nanotechnology, del 11 de noviembre pasado.

En la pasada década, ha habido grandes avances en pieles sintéticas, según Bao, principal investigador del estudio, pero incluso el material más efectivo de autorreparación tiene serios bemoles. Algunos tienen que ser expuestos a altas temperaturas, haciéndolos poco prácticos para lo usos de día a día. Otros pueden sanar a temperatura ambiente, pero al reparar una cortadura cambian su estructura química o mecánica, por lo que sólo pueden curarse una vez. Lo más importante, ningún material de los que se curan a sí mismos era un buen conductor de electricidad, una propiedad crucial para innumerables aplicaciones.

“Para poder ser parte del mundo digital en el que vivimos, es ideal tener materiales conductores”, dijo Benjamin Chee-Keong Tee, un investigador del proyecto.

Una nueva receta
Los investigadores combinaron exitosamente dos ingredientes para obtener lo que Bao llama “lo mejor de dos mundos”: el aditivo de curación automática de un polímero plástico, y la conductividad del metal.

Los investigadores iniciaron con un plástico consistente de largas cadenas de moléculas unidas por vínculos hidrogenados, la atracción relativamente débil entre la región cargada positivamente de un átomo y la región con carga negativa de la siguiente.

“Estos vínculos dinámicos le permiten al material curarse a sí mismo”, dijo Chao Wang, otro miembro del equipo de investigación. Las moléculas se quiebran fácilmente, pero cuando se reconectan los vínculos se reorganizan y restauran la estructura del material después de ser dañado. El resultado es un material flexible, que incluso a temperaturas ambiente se siente como caramelos blandos dejados en el refrigerador, explica Servick.

A este polímero resilente, los investigadores le agregaron pequeñas partículas de níquel, para aumentar su estructura mecánica. Las superficies a escala ínfima de las partículas de níquel son ásperas, lo que ha se ha comprobado que es de vital importancia para hacer que el material sea conductivo.

Tee comparó esta superficie con “mini-machetes”, en el que cada uno concentra un campo magnético, lo que hace que la corriente fluya de una partícula a la siguiente.

El resultado fue un polímero con características únicas. “La mayoría de los plásticos son buenos aislantes, pero este es un excelente conductor”, dijo Bao.

Un material revolucionario
El siguiente paso fue ver qué tanto podría el material restaurar su fortaleza mecánica y su conductividad eléctrica después de ser dañado.

Los investigadores tomaron una pieza delgada del material y la cortaron a la mitad, con un escalpelo especial. Después de presionar suavemente las piezas, una contra la otra, por pocos segundos, los investigadores descubrieron que el material había ganado 75 por ciento de su dureza original, así como su capacidad de conducción de electricidad.

El material se había restaurado casi en un 100 por ciento, después de 30 minutos, aproximadamente. “Incluso la piel humana tarda días en sanar. Así que creo que esto es algo muy buen”, dijo Tee.

Pero aún había más. La misma muestra podría ser cortada repetidamente, y en el mismo lugar. Después de 50 cortes y reparaciones, el material se estiraba y doblaba tanto como el original.

La naturaleza compuesta del material creó un nuevo reto de ingeniería para el equipo. Bao y sis coautores encontraron que aunque el níquel era un material clave para hacer que el material fuera fuerte y conductivo, también obstruía el proceso de sanación, al prevenir que los vínculos de hidrógeno se reconectaran tan bien como deberían.

Para futuras generaciones del material, dijo Bao, el equipo podría ajustar el tamaño y la forma de las nanopartículas, o incluso las propiedades químicas del polímero, para solventar este problema.

Sin embargo, Wang dijo que la extensión de estas propiedades de autorrecuperación fueron verdaderamente sorprendentes: “Antes de nuestro trabajo, era muy difícil imaginar que este tipo material flexible y conductivo podría llegar a autorrepararse”.

Sensibilidad al tacto
El equipo también exploró cómo usar el material como un sensor. Para los electrones que crean una corriente eléctrica, tratar de pasar a través de este material es como tratar de cruzar un río saltando de piedra en piedra, dice Servick. Las piedras en la analogía son las partículas de níquel, y la distancia que las separa determina cuánta energía necesitará un electrón para liberarse de una piedra y moverse a la siguiente.

Al retorcer o poner presión sobre la piel sintética, cambia la distancia entre las partículas de níquel, por lo que resulta más fácil que se muevan los electrones.

Estos cambios sutiles en resistencia eléctrica pueden ser traducidos en información sobre presión y tensión de la piel.
Tee dijo que el material es suficientemente sensible como para detectar la presión de un apretón de manos. Por ello, podría ser ideal para aplicaciones prostáticas, aseguró Bao. El material es sensible no solo para reducir la presión, sino para estirarse, por lo que una aplicación prostética podría algún día ser capaz de registrar el grado en el que una coyuntura se dobla.

Tee puso en evidencia otra posibilidad comercial. Los dispositivos eléctricos y los cables adicionados a este material podrían repararse a sí mismos, y tener electricidad fluyendo, sin mantenimientos costosos y dificultosos, particularmente en lugares de difícil acceso, como l interior de paredes o vehículos.

Próximamente, según Bao, viene la meta del equipo de hacer el material estirable y transparente, para que sea usado en envases, como agente envolvedor o en dispositivos electrónicos o pantallas.