Arrugan el grafeno para fabricar músculos artificiales

Corrientes eléctricas contraerán y expandirán estos músculos a demanda

Ingenieros de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke (Estados Unidos) han combinado el grafeno con polímeros para fabricar músculos artificiales. Estos músculos, que podrán contraerse y expandirse a demanda mediante la aplicación de corrientes eléctricas, resultarán útiles para tecnologías diversas -como la robótica o el almacenamiento de energía- y mejorarán enormemente la calidad de vida de millones de personas con discapacidad, afirman los científicos.

La estructura cristalina ideal del grafeno es una retícula hexagonal. Imagen: AlexanderAlUS. Fuente: Wikimedia Commons.

Ingenieros de la Escuela de Ingeniería Pratt www.pratt.duke.edu/ de la Universidad de Duke (Estados Unidos) han combinado redes de carbono del espesor de un átomo con polímeros (macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas o monómeros) para crear materiales únicos con una amplia gama de aplicaciones, entre ellas los músculos artificiales.

Estas redes, conocidas como grafeno, están compuestas por carbono puro y tienen el aspecto de una tela metálica, si se observan bajo una lupa. Dadas sus propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas únicas, el grafeno se utiliza ya en electrónica, almacenamiento de energía, materiales compuestos y biomedicina.

Sin embargo, este alótropo del carbono es muy difícil de manejar porque se arruga fácilmente, lo que, dependiendo de las circunstancias, puede ser una característica positiva o negativa. Desafortunadamente, hasta ahora los científicos no habían sido capaces de controlar el arrugamiento y el estiramiento de grandes superficies de grafeno, para aprovechar todas sus propiedades.

El ingeniero de la Universidad de Duke, Xuanhe Zhao, compara este aspecto del grafeno con la diferencia entre el papel normal y el papel mojado en declaraciones recogidas en un comunicado de la Universidad de Duke: "Si se arruga un papel normal, puede volver a aplanarse muy fácilmente. Sin embargo, el grafeno se parece más a un pañuelo de papel mojado. Es muy delgado y pegajoso, y difícil de desplegar una vez arrugado. Nosotros hemos desarrollado un método para resolver este problema, y controlar así el arrugamiento y el estiramiento de extensas películas de grafeno".

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Grafeno arrugado. Fuente: Universidad de Duke.

Cómo se hizo

Lo que han hecho los ingenieros ha sido unir el grafeno a una película de caucho previamente estirada muchas veces, a partir de su tamaño original.

Una vez que este estiramiento se hubo distendido, una parte del grafeno fue separado de la goma, mientras que otra parte se mantuvo adherida al caucho, formando un patrón adjunto y adosado de solo unos nanómetros.

A medida que el caucho se distendía, el grafeno separado se comprimió hasta arrugarse. Pero cuando la película de goma se volvió a estirar, el grafeno adherido empujó al grafeno arrugado hasta estirarlo. “De esta forma, puede controlarse el arrugamiento y el estiramiento de un área extensa de grafeno de espesor atómico, simplemente estirando y distendiendo una película de caucho, incluso a mano”, afirma Zhao. Los resultados de su estudio han aparecido publicados en la revista Nature Materials.

"Nuestro método abre vías a una explotación sin precedentes de las propiedades del grafeno arrugado y de las funciones del grafeno ", asegura por su parte Jianfeng Zang, primer autor del artículo. "Por ejemplo, gracias a este sistema podemos ajustar el grafeno para que sea transparente u opaco arrugándolo, y volver a ajustarlo estirándolo”, añade Zang.

Músculos controlados con electricidad

Por otra parte, los ingenieros de Duke han combinado el grafeno con películas de polímeros diferentes para desarrollar un material que puede actuar como tejido muscular artificial, contrayéndose y expandiéndose a demanda.

Estos movimientos podrían controlarse con electricidad. Cuando esta se aplicara al músculo de grafeno, este se expandiría. Cuando la electricidad se retirase, el músculo se relajaría. Variando el voltaje podría dirigirse además el grado de contracción o de relajación. "De hecho, el arrugamiento y el estiramiento del grafeno permitiría una gran deformación del músculo artificial”, explica Zang.

"Los nuevos músculos artificiales resultarán útiles para tecnologías diversas, desde la robótica a la administración de fármacos o a la captura y almacenamiento de energía", señala Zhao.

"En particular, prometen mejorar enormemente la calidad de vida de millones de personas con discapacidad, que podrán contar con dispositivos como prótesis ligeras. El impacto de los nuevos músculos artificiales podría ser análogo al de los materiales piezoeléctricos en la sociedad global ".

Referencia bibliográfica:

Jianfeng Zang, Seunghwa Ryu, Nicola Pugno, Qiming Wang, Qing Tu, Markus J. Buehler, Xuanhe Zhao.Multifunctionality and control of the crumpling and unfolding of large-area graphene. Nature Materials (2013). DOI: 10.1038/nmat3542.