Los polímeros laminares se asemejan a un edificio de varios pisos, donde cada planta está pintada de un color distinto y, a veces, aparecen grietas entre los pisos. Estas grietas son los pares de dislocaciones: alteraciones de la periodicidad que estropean el material. Los ingenieros llevan tiempo buscando la manera de controlar tales defectos sin tener que reconstruir todo el edificio. Resulta que las partículas diminutas pueden actuar como arquitectas: unas refuerzan los puntos débiles, otras, por el contrario, los destruyen.

Los investigadores construyeron un modelo computacional en el que un polímero laminar interactúa con nanopartículas de dos tipos. Las partículas homogéneas, recubiertas con una sustancia que prefiere una de las capas, se comportan como un sellador de grietas: se incrustan en el defecto y reducen la energía necesaria para su existencia. Las partículas de Janus, que tienen dos mitades de superficie diferentes, no pueden complacer a ambas capas a la vez en el núcleo curvado del defecto, por lo que aumentan la energía de formación y hacen que el defecto sea menos favorable.

Para partículas homogéneas de tamaño mayor que el grosor de la capa, el efecto resultó significativo: el cambio de energía alcanzó −63.8 kBT para partículas que prefieren la capa A, y −37.9 kBT para las que prefieren la capa B. Esto significa que tales partículas estabilizan activamente las dislocaciones, reemplazando el polímero tensionado en el núcleo del defecto. Las partículas de Janus, por el contrario, aumentaban la energía en varios kBT, especialmente cuando las dos mitades de la superficie estaban en proporción igual.

El resultado clave: la energía de unión de la partícula al núcleo de la dislocación está linealmente relacionada con el cambio en la energía de formación, con una pendiente de 1.00 ± 0.01. Esto significa que, conociendo cuán firmemente se adhiere una partícula al defecto, se puede predecir si lo estabilizará o lo destruirá. Esta ley tan simple permite diseñar materiales con la cantidad deseada de defectos sin una costosa exploración de parámetros.

Antes se sabía que los aditivos podían acumularse en regiones defectuosas, pero no existía una relación cuantitativa entre las propiedades de las partículas y la energía de las dislocaciones. Ahora se ha establecido: las partículas grandes homogéneas refuerzan los defectos, mientras que las partículas de Janus los debilitan. Esto abre el camino hacia el diseño dirigido de materiales nanoestructurados, donde los defectos no son un desperfecto, sino que sirven como elementos funcionales, por ejemplo, en cristales fotónicos o membranas.