Estos plásticos reforzados son enteramente reciclables, se pueden fundir para repararse o volver a conformarse en otros objetos, manteniendo intactas sus propiedades
La reducción del impacto medioambiental que causan los plásticos se puede abordar desde distintas estrategias, como la fabricación de plásticos más duraderos o el reciclaje. En general, existen dos tipos principales de plásticos. El primero, los termoplásticos, que pueden fundirse y moldearse para formar otros objetos, aunque sus propiedades mecánicas se van debilitando si se funden varias veces. Y el segundo, los termoestables, no se funden a altas temperaturas, ya que las cadenas de los polímeros que lo forman están entrecruzadas mediante enlaces químicos.
Los plásticos termoestables poseen propiedades ventajosas respecto a los termoplásticos. Suelen tener una mayor resistencia al impacto y al estrés mecánico, aunque también son más quebradizos. La resina epoxy, la silicona o la melamina son ejemplos de plásticos termoestables, habitualmente utilizados en construcción. Para hacer estos plásticos más fuertes, los ingenieros les añaden materiales de refuerzo como la fibra de carbono. Con ellos ya se fabrican hoy día objetos como cascos de motocicleta o material deportivo, que son muy duraderos aunque no pueden ser reciclados fácilmente.
En IMDEA Nanociencia, el grupo de Química de Materiales de Bajas Dimensiones, liderado por Emilio Pérez, está investigando una estrategia para reforzar plásticos reciclables en una colaboración con la empresa Nanocore. El plástico estudiado es una ‘red adaptable covalente’, cuya estructura molecular es similar a la de un plástico termoestable pero con la particularidad de que incorpora enlaces covalentes –fuertes- pero a la vez reversibles entre las cadenas de polímero. En concreto, trabajan con iminas, cuyos enlaces se pueden romper con agua o temperatura, y volver a formarse. La novedad del estudio radica en que han utilizado un derivado de los nanotubos de carbono que tienen a su alrededor una molécula en forma de anillo -mechanically interlocked carbón nanotubes MINTs. Las moléculas anillo están sujetas al nanotubo de carbono de forma mecánica, no química, por lo que la unión entre ambos es muy fuerte, pero a la vez permite un cierto movimiento a la molécula a lo largo del nanotubo. Los investigadores han equipado al anillo con dos puntos de anclaje (dos aminas) para que se enlacen covalentemente con los polímeros. De este modo, el nanotubo pasa a formar parte estructural de la red polimérica.
Poner anillos a los nanotubos: una estrategia simple y muy efectiva
Los nanotubos de carbono son, fundamentalmente, una lámina de grafeno enrollada sobre sí misma. Para unir un nanotubo con otras moléculas, es posible hacerlo directamente mediante enlaces covalentes, que rompen un poco el tubo, añaden defectos y lo debilitan. La estrategia perseguida por los investigadores utiliza el enlace mecánico –una molécula anillo alrededor del nanotubo- para integrar los nanotubos en la red polimérica preservando todas sus propiedades, y maximizando la transferencia de carga de la matriz al refuerzo. Es decir, no se puede hacer mejor.
El concepto es simple: al rodear el nanotubo con un anillo, se previene la aglomeración de estas fibras, que hace que el refuerzo pierda efectividad. Además, en el anillo se proporcionan sitios de interacción con el polímero, lo que mejora la transferencia del esfuerzo. Añadiendo únicamente un 1% de nanotubos en peso a la mezcla de polímero, se logra mejorar un 77% el módulo de Young, y una mejora del 100% de la fuerza tensil. Notablemente, las propiedades mecánicas de este plástico reforzado se mantienen intactas después de ser fundidos y reciclados hasta 4 veces.
En ingeniería, la Ley de Mezclas indica que las propiedades de un compuesto son la mezcla de las propiedades de los materiales originales, según su proporción. El estudio liderado por los investigadores madrileños ha confirmado que esto solamente es así cuando hay una transferencia eficiente del estrés mecánico entre ambos compuestos, a nivel nanoscópico. En su trabajo, los investigadores han logrado una eficiencia máxima de transferencia del estrés mecánico del polímero hacia los nanotubos, el material más resistente. Los nanotubos poseen un módulo de Young de 1TPa, 5 veces más duros que el acero, siendo un material mucho más ligero. Añadir más nanotubos al plástico no lo hace más fuerte, ya que los nanotubos se comienzan a aglomerar y pierden eficiencia. La clave del éxito reside en el enlace covalente entre los nanotubos y el polímero.
Todo comenzó con una beca ERC
La historia de este resultado científico comienza en 2012, cuando el investigador Emilio Pérez recibe una prestigiosa beca ‘Starting’ del Consejo Europeo de Investigación (ERC) para desarrollar una idea innovadora: poner anillos moleculares a los nanotubos de carbono. Con esta ayuda de 1,5 millones de euros, Pérez consolida su grupo de investigación en IMDEA Nanociencia. Durante 5 años, crearon enlaces mecánicos entre moléculas anillo y nanotubos de carbono, y estudiaron sus propiedades, aunque sin enfocarse aún en sus posibles aplicaciones. En 2017 Pérez recibe una llamada de Nanocore ApS, empresa danesa pionera en transferencia de resultados al mercado de producción de materiales. Ellos también pretenden modificar los nanotubos de carbono, desde un enfoque bioquímico. Comienzan a colaborar juntos en un proyecto de un año, para después, obtener una beca ERC ‘Proof of Concept’ que impulsa los experimentos. En 2020 firmarían un contrato de más de 3 millones de euros para trabajar juntos en el refuerzo de plásticos con nanotubos de carbono.
Una infinidad de aplicaciones
La colaboración con Nanocore a día de hoy sigue explorando todos los polímeros más relevantes a nivel comercial susceptibles de ser reforzados. Llegar a producir plásticos casi tan fuertes como las fibras de carbono, que puedan fundirse y reciclarse, es un sueño. Un antes y un después, que puede contribuir firmemente a un nuevo escenario más verde y sostenible. Pérez detalla: “Producir estructuras más ligeras, como coches, aviones, etc. supondría un ahorro considerable de combustible.” Fabricar con menos material y asegurando la reciclabilidad dibuja un horizonte prometedor.
Glosario:
• Fibra de carbono: hebras sintéticas de diámetro microscópico, constituidas por láminas de grafeno bien empaquetadas.
• Nanotubo de carbono: lámina de grafeno enrollada, que se conforma como un tubo de átomos de carbono.
• Nanotubos enlazados mecánicamente, MINT: nanotubos que tienen una molécula anillo a su alrededor, unida mecánicamente (no químicamente).
• Imina: compuesto orgánico que contiene un doble enlace carbono-nitrógeno.
• Módulo de Young: parámetro que caracteriza la elasticidad de un material, y determina la deformación en función de la tensión aplicada.
Referencia bibliográfica: I. Isasti, S. Miranda, D. M. Jiménez, S. Parzyszek, N. Martín Sabanés, H. Pedersen, E. M. Pérez, Reinforcement of polyimine covalent adaptable networks with mechanically interlocked derivatives of SWNTs. Adv. Funct. Mater. 2024, 2408592. https://doi.org/10.1002/adfm.202408592
Proyecto Tsunami: la investigación que tiene entre manos el material del futuro https://www.innovaspain.com/imdea-nanociencia-nanotubos-carbono-emilio-perez-nuevos-materiales/ Mechanically interlocked derivatives of carbon nanotubes: synthesis and potential applications https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/cs/d2cs00510g
Fotografía de portada: Ion Isasti.
