Nanocompuestos poliméricos redefinen las aplicaciones de los plásticos

A lo largo de la historia el ser humano ha recurrido al uso de los materiales para satisfacer sus necesidades y asegurar su supervivencia.

El empleo de los materiales se inició con aquellos que la naturaleza proveía tales como piedras, madera y fibras naturales. Con el tiempo descubrió y logró el dominio del bronce y del hierro.

El desarrollo de la raza humana basado en los materiales ha sido lento y cada etapa tiene un nombre: Edad de Piedra, Edad de Bronce y Edad de Hierro. La evolución del individuo y su capacidad de pensamiento le han permitido desarrollar materiales de mayor complejidad y con características mejoradas, entre los cuales destacan los polímeros o plásticos, que surgieron a principios del siglo XX.

Su impacto ha sido tal que podemos decir que vivimos en la “Edad del Plástico”. Estos materiales han logrado superar en muy diversas aplicaciones a los materiales tradicionales gracias a que son ligeros, flexibles, transparentes, resistentes a la corrosión y a la oxidación, altamente elásticos, aislantes (térmicos y eléctricos), entre otros.

Además, con ellos se pueden producir artículos de prácticamente cualquier forma (película, fibra, espuma, gel, etc.), a gran escala y bajo costo. Así, gracias a las características mencionadas, los plásticos tienen aplicación en una gran cantidad de artículos de uso común, muchos de ellos imprescindibles para nuestra vida cotidiana.

Difícilmente se podría concebir un mundo moderno sin neumáticos, recubrimientos de cable, contenedores ligeros, empaques para transporte y conservación de alimentos y medicamentos, artículos deportivos, mangueras elásticas, autos ligeros, entre muchos otros.

Por todo lo descrito, la demanda de los plásticos se ha incrementado considerablemente, de manera que no solo han incursionado en áreas donde se requieren sus propiedades inherentes, sino que también han sido modificados para presentar características adicionales como capacidad de transportar calor o electricidad, mostrar propiedades mecánicas mejoradas y alta permeabilidad, solo por mencionar algunas.

Un ejemplo ilustrativo son los nanocompuestos poliméricos, materiales plásticos reforzados con aditivos de tamaño nanométrico (10^-9 m), como nanopartículas de tipo metálico, cerámico y de carbono (grafito, grafeno, nanotubos de carbono, negro de humo, nanofibras de carbono, etc.).

Polímeros biodegradables como solución para la contaminación plástica

Entre las áreas mayormente favorecidas con el surgimiento de los nanocompuestos poliméricos se encuentran principalmente la energía, la medicina y la electrónica [1] que elevan aún más la demanda comercial de los plásticos.

Si bien los plásticos han contribuido considerablemente al desarrollo del ser humano, el uso excesivo y las malas prácticas de disposición final han resultado en una gran cantidad de desechos que impactan de manera irreversible el medioambiente. Al respecto se realizan esfuerzos conjuntos entre gobierno e industria para implementar medidas como el reciclaje o la reutilización de los plásticos.

Sin embargo, estos han resultado insuficientes para desacelerar la contaminación por basura plástica. De acuerdo con datos reportados por la OECD (2022), tan solo el 9 % de los polímeros que se producen a escala mundial vuelven a ser reutilizados en la fabricación de nuevos productos.

Se tiene la proyección de que para el año 2050 se podría alcanzar en el mundo la cifra de 120 millones de toneladas de desechos de equipo electrónico, los cuales contienen gran cantidad de componentes y recubrimientos fabricados a base de materiales poliméricos [2].

Una medida que parece más prometedora para mitigar la contaminación ocasionada por materiales plásticos es el empleo de polímeros biodegradables. El término biodegradable se refiere a la fragmentación de la estructura de los polímeros en moléculas de menor tamaño por actividad enzimática de microorganismos.

Los productos generados por esta biodegradación pueden ser absorbidos como nutrientes en el suelo en forma de biomasa. Adicionalmente, existen otros tipos de degradación como la hidrólisis, la degradación por exposición a la radiación solar o al desgaste por esfuerzos mecánicos (figura 1), aunque muchos polímeros son poco sensibles a este tipo de degradación.

En los últimos años se ha comenzado a tomar conciencia sobre la necesidad de migrar no solo hacia energías limpias y renovables, sino también al uso de materiales biodegradables y, o, sustentables. Algunos ejemplos de polímeros sustentables son el ácido poliláctico (PLA), el polihidroxialcanoato (PHA) y el almidón termoplástico, obtenidos a partir de precursores de fuentes naturales y que han incursionado en aplicaciones biomédicas, empaques de alimentos y bebidas, agroindustria, etc. [3, 4].

Otro ejemplo es el succinato de polibutileno (PBS), que es una alternativa de las poliolefinas de alto consumo, específicamente del polietileno y el polipropileno, puesto que tiene similitud en propiedades térmicas y mecánicas [5, 6]. La combinación de polímeros biodegradables con nanopartículas metálicas, nanoestructuras de carbono, cristales de celulosa, hidroxiapatita, etc., da lugar a la obtención de nanocompuestos sustentables con propiedades mejoradas y con aplicación en áreas como medicina regenerativa, liberación de fármacos, dispositivos médicos, materiales antimicrobianos, disipadores de calor y dispositivos electrónicos, por mencionar algunos [7].

El propósito final sería que los polímeros sustentables pudieran aplicarse en prácticamente cualquier área, incluidas aplicaciones avanzadas y de alta ingeniería (figura 1).

Actualmente, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) se están desarrollando poliésteres alifáticos biodegradables y nanocompuestos sustentables, con características estructurales y propiedades específicas. Entre los poliésteres alifáticos que se estudian destacan la policaprolactona (PCL), el ácido poliláctico (PLA), el polietileno brasilato (PEB), la polivalerolactona (PVL), la polidecalactona (PDL) y la combinación de estos (a lo que llamamos copolímeros) [8].

Estos polímeros están siendo reforzados con nanofibras de carbono, negro de humo o nitruro de boro para obtener nanocompuestos ligeros, flexibles, mecánicamente mejorados y que sean capaces de disipar el calor o que puedan transportar corriente eléctrica.

Se busca obtener materiales biodegradables que no solo presenten propiedades similares a los polímeros tradicionales que conocemos, como el polietileno, el polipropileno, el polietilentereftalato (PET), las resinas epóxicas y el policloruro de vinilo, sino que también ofrezcan propiedades adicionales. Con el desarrollo de estos y otros materiales sustentables, el CIQA se suma a las iniciativas y esfuerzos que actualmente se realizan para el cuidado y conservación del medioambiente.