Francis en #rosavientos: Un material inteligente basado en grafeno

Dibujo20151114 Fast self-folding box driven by light cross-shaped piece of paper science advances

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Un papel fabricado con óxido de grafeno cambia de forma ante distintos estímulos (puede incluso “caminar” por una superficie lisa e incluso girar) y podría ser la puerta a nuevos dispositivos inteligentes. Al exponer el material a luz o cuando se calienta ligeramente este material activo se pliega y permite desarrollar sistemas flexibles que cambian de forma. Se cree que podría ser usado en ropa inteligente capaz de cambiar de forma (y de estilo) como respuesta a la temperatura corporal, o a los cambios ambientales. También podría permitir desarrollar paneles solares que se orienten hacia la posición del Sol. O incluso músculos artificiales para robots, sensores capaces de activar dispositivos de seguridad, etc.

El artículo es Jiuke Mu et al., “Origami-inspired active graphene-based paper for programmable instant self-folding walking devices,” Science Advances 01: e1500533, 06 Nov 2015, doi: 10.1126/sciadv.1500533.

Más información divulgativa en César Tomé (Próxima), “Un material inteligente cargado de ideas,” Next, Vozpópuli, 11 Nov 2015; Mª Victoria S. Nadal, “Un papel de grafeno se mueve y camina solo gracias a la luz y al calor,” Materia, El País, 12 Nov 2015; Sarah Romero, “Mini robots origami hechos con papel de grafeno,” Muy Interesante, 12 Nov 2015.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=nBfkDicEHJY]

El grafeno es el material de moda. Todo el mundo habla de sus propiedades revolucionarias y de sus futuras aplicaciones. Sin embargo, aún no hay aplicaciones comerciales en el mercado. ¿No pasará con el grafeno como con el cuento de la lechera y al final todo se quede en nada? El grafeno es un material asombroso, una hoja de un solo átomo de grosor formada por átomos de carbono colocados en una estructura hexagonal tipo panel de abeja. El grafeno combina muchas propiedades sorprendentes en un solo material, es muy duro, muy resistente, muy flexible, muy ligero, conduce muy bien el calor, la electricidad y soporta grandes presiones. Se han propuesto gran número de aplicaciones para el grafeno en informática, telecomunicaciones, aeronáutica e incluso biomedicina. El gran problema del grafeno es su fabricación. Sus propiedades físicas son tan revolucionarias cuando se usa grafeno ultrapuro, fabricado con la máxima calidad. Pero lograrlo a escala industrial con los métodos actuales de fabricación es muy difícil. Por ello el grafeno es muy caro, con un coste prohibitivo para la mayoría de sus aplicaciones prácticas. Muchos científicos están tratando de reducir los costes de fabricación, pero aún queda mucho camino por recorrer. Aún así casi todas las semanas se proponen nuevas aplicaciones potenciales del grafeno. Esta semana se ha publicado el uso del óxido de grafeno como material inteligente. Los materiales inteligentes o materiales activos son capaces de cambiar sus propiedades de forma controlada y reversible. Por ejemplo, los materiales activos con memoria de forma tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse en presencia de calor, luz o campos magnéticos, recuperando su forma original en su ausencia. Un equipo de científicos chinos liderado por Jiuke Mu, de la Universidad Donghua (China), ha desarrollado un papel a base de óxido de grafeno que se puede plegar y desplegar en función de la luz o el calor que recibe. Este material tiene memoria de forma y al estirarse y contraerse cuando se le expone a la luz o al calor permite desarrollar robots tipo origami que parten de una forma plana y se despliegan sobre una superficie lisa, pudiendo caminar o incluso girar en ella.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=f0CluQiwLRg]

El origami o papiroflexia es el arte de origen japonés del plegado de papel sin usar tijeras ni pegamento para obtener figuras de formas variadas. Todos conocemos la famosa pajarita de papel. Los robots tipo origami son parecidos a estas figuras de papel. Exactamente, los robots tipo origami están formados por polígonos planos unidos entre sí por aristas que actúan a modo de bisagras. Similares a las figuras de papiroflexia, cambiando los ángulos entre los polígonos en estas aristas se logra que estos robots se autoensamblen, partiendo de un diseño plano fácil de transportar, y se muevan para cumplir su misíon. Los robots origami tienen su origen en el trabajo pionero de científicos de la Universidad de Harvard y del MIT, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, en Bostón, EE.UU., que se publicó en la revista Science en agosto de 2014. Sus robots estaban fabricados con materiales plásticos planos, en concreto, polímeros con efecto memoria que se contraen al alcanzar 100 ºC de temperatura. Estos robots origami de polímeros son capaces de cargar hasta el doble de su peso, nadar en agua, seguir trayectorias predefinidas y cumplir ciertas tareas sencillas. El trabajo publicado esta semana en la revista Science Advances por el equipo del científico chino Jiuke Mu, de la Universidad Donghua (China), usa un material de óxido de grafeno en lugar de polímeros activos, lo que permite usar pequeños cambios de temperatura para plegar y desplegar el robot. Gracias a usar grafeno los nuevos robots origami son muy ligeros y muy resistentes, siendo capaces de soportar hasta cinco veces su peso. Además, se pliegan y despliegan mucho más rápido y de forma más suave que los de polímeros activos gracias a que el grafeno tiene una gran conductividad eléctrica y térmica, que permite absorber la luz o el calor muy rápidamente.

El artículo es S. Felton et al., “A method for building self-folding machines,” Science 345: 644-646, 8 Aug 2014, doi: 10.1126/science.1252610; más información divulgativa en “Este ‘transformer’ de origami es capaz construirse a sí mismo y escapar,” Agencia SINC, 07 Ago 2014.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=ZVYz7g-qLjs]

¿Qué aplicaciones prácticas tienen estos robots origami de grafeno? La gran ventaja de los nuevos robots origami basados en papel fabricado con óxido de grafeno respecto a los basados en polímeros activos es que se pueden fabricar a temperatura ambiente, lo que implica que consume menos energía y facilita su industrialización; hay que recordar que la  mayoría de los materiales con memoria de forma se deben fabricar a temperaturas muy elevadas. Sin embargo, como ocurre con otras aplicaciones del grafeno, ahora mismo la gran barrera industrial es el precio de fabricación del óxido de grafeno de alta calidad. Siendo más barato fabricar óxido de grafeno que grafeno puro, todavía el coste es excesivo. El artículo del Dr. Mu y sus colegas chinos presenta prototipos de diseño muy sencillo. Uno tiene la forma de la cruz de la bandera de Suiza, con los lados del cuadrado central de la cruz capaces de doblarse hasta 90 grados. Al incidir luz infrarroja de un láser estos lados se pliegan en unos 0,2 segundos y el cuadrado central de la cruz se levanta como apoyado en cuatro patas. Controlando la luz incidente del láser se logra que este robot origami se ponga a caminar sobre la superficie e incluso cambie de dirección. El movimiento es torpe, pero se trata de un prototipo muy sencillo. También se han propuesto prototipos de unas pinzas que funcionan a modo de dedos de una mano para coger objetos y un robot tipo oruga que repta por la superficie al ritmo del encendido y apagado de la luz. Se conciben otros diseños más complicados, como los propuestos con robots origami de polímeros activos. Desde el punto de vista de las aplicaciones prácticas, como el grafeno es un nanomaterial se podrán fabricar microrrobots y nanorrobots con utilidad en biomedicina, capaces de trabajar en condiciones fisiológicas como nanosensores robóticos que se moverían dentro del cuerpo humano en función de la luz, de la temperatura, del pH o de la humedad en los tejidos vivos. Se podrán usar los robots origami de grafeno como músculos artificiales autoplegables para robots industriales y en ingeniería de tejidos. También se concibe el desarrollo de paneles solares que se orientarán hacia la posición del Sol sin usar motores ni energía externa, solo la luz solar. E incluso ropa inteligente que cambie de forma y de estilo dependiendo de la temperatura corporal o de los cambios ambientales. Las aplicaciones potenciales de estos robots origami basados en papel de óxido de grafeno son casi infinitas.

Dibujo20151114 water absorption water desorption go-pda science advances

El papel de óxido de grafeno responde a la luz y al calor doblándose por ciertas esquinas. ¿Podemos explicar de forma sencilla cómo funciona este proceso físico? Los robots origami usan materiales activos que transforman algún tipo de energía, como la luz o el calor, para producir trabajo mecánico en aristas que actúan como bisagras, permitiendo el plegado y desplegado de estructuras autoplegables. El óxido de grafeno es grafeno en el que algunos átomos de carbono están ligados a grupos químicos funcionales, como grupos hidroxilo (-OH), grupos carboxilo (-COOH) y puentes de epóxido (-O). Como resultado el óxido de grafeno es muy hidrofílico y se hidrata fácilmente si se expone a vapor de agua o se sumerge en agua. Además, el óxido de grafeno es muy elástico, muy flexible y muy fuerte. Para lograr el autoplegado de ciertas zonas, que actuarán como bisagras, se marcan estas zonas en el papel de óxido de grafeno–hidroxilo depositando en ellas capas de óxido de grafeno reducido con polidopamina (llamado GO-PDA). La dopamina es un neurotransmisor que disuelto en una disolución tampón a pH moderadamente básico polimeriza al ser oxidada por el oxígeno del aire u otros oxidantes. El resultado es la polidopamina, un compuesto químico que contiene grupos quinona, catecol y aminas, que se usa como material para recubrir superficies y dotarlas de propiedades hidrofílicas. El óxido de grafeno tiene un grosor de 1,5 nm y el óxido de grafeno–polidopamina alcanza 5 nm. El GO-PDA contiene agua que absorbe del aire en el ambiente. Si estas láminas se iluminan con calor (luz infrarroja) o con luz visible (mediante un láser), el agua se evapora y hace que las láminas se arruguen, plegando el papel en la forma prediseñada en el patrón. Cuando se apaga la luz, el papel reabsorbe el agua del ambiente, se rehidrata y vuelve a quedar plano. Estos movimientos repetidos hacen posible que el robot origami se desplace. Para hacer que cambie de dirección basta con irradiar con calor o con luz solo una parte del papel, haciendo que se flexione, mientras que la otra permanece estirada. El funcionamiento no puede ser más sencillo. Cuando en los próximos años se logre fabricar grafeno a escala industrial y a bajo coste habrá una explosión de aplicaciones prácticas. Una de ellas serán los microrrobots de origami basados en óxido de grafeno. El presente del grafeno está en los laboratorios de investigación, pero su futuro industrial es muy prometedor.

Dibujo20151114 demonstration of the hand and wormlike auto device completing various bending and stretching actions science advances



1 Comentario

  1. Inteligentes lo que se dice smart, como un smartphone con neuromorfías y obediente. Entre los obedientes más inteligentes están los atunes esos cetáceos mamíferos nadadores: los delfines.

    Transcripción proteico-ribonucleica: el ribosoma lee el ARN mensajero y ensambla los aminoácidos suministrados por los ARN de transferencia a la proteína en crecimiento, proceso conocido como traducción o síntesis de proteínas.
    Transcriptoma genómico de ARN mensajero a cadena polipéptida: un codón de inico AUG ordena leer-escribir la cinta de metionina, GCC alanina, AAC asparagina, GGC glicina, AUG nuevamente, CCU prolina, ACU treonina; el movimiento finaliza con un codón de parada UAG ¿Similitudes con una máquina Turing? La cadena polipeptídica ensamblada ha sido: Alanina-Asparagina-Glicina-Metionina-Prolina-Treonina. El gato de Turing en todos los organismos vivientes.
    Una cinta-mecanismo-alfabeto Turing maquina la vida, transporta su genética replicadora cuando lectoescribe los 4 elementos (el quinto es el ATP fosfodiester), alfabeto de aminoácidos mediante transmite-traduce-plega en transcripciones y en su meiótica línea germinal totipotente desplega neurogénesis simiiforme superior.

    Así nos hacemos la comida y reconfiguramos en todo el corpus, nuestras proteínas estructurales confeccionamos. Una más de las habilidades nuestras que no es nuestra (nos precede). Somos biomecanismos (software químico).
    Una evolución que es convergente, es inteligente y lo es más que nosotros. Ja ja ja ja.

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 15 noviembre, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,