Nanoquímica y química de polímeros

Desde fines del siglo XX se comenzó a hablar de nanociencia y nanotecnología. Trabajar con las moléculas a escalas donde las leyes que rigen son las de la mecánica cuántica, ha significado asumir nuevos desafíos, como crear instrumentos y metodologías que permitan manipular los átomos y moléculas en esa escala de dimensiones. Esto ha impulsado avances en múltiples ámbitos como la creación de nuevos materiales y medicamentos. En esta nota les contamos de qué se trata todo esto.

¿Qué es un nanómetro?

A medida que los seres humanos hemos podido observar de cerca la materia con microscopios cada vez más potentes, hemos podido descrubrir el mundo en la escala de los nanómetros (nm), es decir, la longitud equivalente a la mil millonésima parte de un metro, o 10^-9.

Para que te hagas una idea, el diámetro de un cabello humano es de entre 30.000 a 50.000 nm. Un glóbulo rojo mide aproximadamente 2.000 nm y un virus entre 60 y 250 nm. Se dice que un material es nanométrico cuando sus partículas miden entre 1 y 100 nm.

¿Qué es la nanociencia y la nanotecnología?

La nanociencia y la nanotecnología son una subárea de las ciencias básicas desde 1990, cuando se realizó el primer simposio en la materia. Desde entonces, esta área del conocimiento ha tenido avances y aplicaciones en muchos ámbitos, como desarrollo de nuevos materiales, avances en biomedicina, computación cuántica o en la química industrial.

La capacidad del ser humano de diseñar y construir materiales “átomo por átomo” ya fue predicha por el destacado científico Richard Feynman, Premio Nobel de Física en 1965. Él señalaba que como a nivel atómico la materia se comporta de manera diferente a la escala humana, la estrategia para sintetizar nuevas estructuras moleculares debía ser construir moléculas de abajo hacia arriba (bottom-up), en vez de arriba hacia abajo (top-bottom), que era como se trabajaba de manera tradicional.

¿Qué es la nanoquímica?

La nanoquímica es un área de la química que surge desde la posibilidad de diseñar nuevos materiales, a nivel nanométrico. Estos pueden responder a necesidades especiales en campos que van desde la catálisis industrial a la biomedicina y la cosmética. Por ejemplo, una crema que se emplea como protector solar en base a dióxido de titanio microparticulado actúa como una barrera física a las radiaciones UV, pero al aplicarla sobre la piel, ésta queda de color blanco. La misma crema, basada en nanopartículas de este compuesto, ofrece una protección UV similar pero luce transparente sobre la piel.

La nanoquímica requiere del desarrollo de diseños experimentales que permitan sintetizar nuevas moléculas utilizando el criterio de Feynman de construir de abajo hacia arriba (bottom-up). También necesita de nuevas tecnologías para la observación del nanomundo como microscopios electrónicos de transmisión (TEM), de efecto túnel (STM), de fuerza atómica (AFM), y de nuevos métodos de síntesis inorgánica y electroquímica.

De esta manera, ha sido posible crear moléculas inteligentes, que pueden autoensamblarse o autorepararse, y obtener materiales con aplicaciones específicas dirigidas a resolver problemas precisos. Por ejemplo, se han desarrollado nanofármacos más eficientes que lleguen exactamente a las células dañadas, nanocatalizadores más selectivos, o nanomateriales más eficaces con mejores características de resistencia o flexibilidad, entre muchas otras.

Entre los descubrimientos y desarrollos que han marcado los avances de la nanoquímica están los derivados del Carbono, como los fullerenos, los nanotubos de Carbono y el grafeno. Todas estas estructuras sirven de base para nuevos materiales híbridos con aplicaciones en el campo de la electrónica, la biomedicina, la catálisis y la química industrial.

¿Qué son los polímeros?

Los polímeros son moléculas gigantes, o macromoléculas, constituidas por la unión de muchos monómeros. Estos monómeros se enlazan como si fuesen un eslabón de una cadena para formar las cadenas poliméricas. En los polímeros hay muchas cadenas poliméricas de diversos tamaños, de forma similar a un plato de tallarines. Además, existen muchos tipos de monómeros, que van desde los derivados del petróleo hasta los aminoácidos, los azúcares y los nucleótidos.

También existen diversas formas de enlazar los monómeros, hasta formar cadenas de cientos de miles de unidades repetitivas. Por tanto, dependiendo de la procedencia de los monómeros, existen los polímeros naturales y los artificiales. Entre los primeros están la celulosa, componente principal de árboles y vegetales, las proteínas, el ADN, la seda, el almidón y la lana. Entre los polímeros artificiales encontramos el polietileno, el PVC (cloruro de polivinilo), las siliconas, el kevlar y el nylon.

¿Existen polímeros nanométricos?

No existen polímeros de tamaño nanométrico, lo que si se puede construir son nanoestructuras poliméricas, como por ejemplo nanopartículas, nanocristales, nanofibras, nanodiamantes, nanoarcillas, etc. También se pueden construir materiales poliméricos reforzados con estos nanomateriales, lo que resulta en un nuevo material con diferentes propiedades físicas, químicas o biológicas.

Por ejemplo, si a un material plástico se le adicionan nanofibras de celulosa, se mejora la resistencia mecánica del material (se hace más duro). Si a la misma matriz se añaden nanopartículas de cobre, ésta mostrará propiedades antifúngicas y antibacterianas (uso desinfectante). Pero si se agregan nanoarcillas, el material mejorará sus propiedades de barrera al oxígeno, y se podría usar en envases de alimentos. Un hecho interesante es que estos efectos se logran añadiendo una baja cantidad de los nanomateriales, que normalmente no representan más de 5% del nuevo material.

¿Qué son las nanofibras de celulosa?

Las nanofibras de celulosa o NFC, son fibras de celulosa de tamaño nanométrico, y poseen una gran superficie específica y alta resistencia mecánica. Su gran capacidad de interacción con fibras de mayor tamaño las convierte en un material reforzante extraordinariamente liviano y resistente.

Las NFC se han convertido en un poderoso aditivo industrial, con una amplia gama de usos y de aplicaciones, de características renovable y biodegradable. Se obtienen de la desintegración mecánica y/o tratamientos químicos de fibras vegetales ricas en celulosa. Al añadirlas a diferentes materiales, permiten mejorar las propiedades de resistencia del material compuesto resultante, sin aumentar significativamente su masa.

¿Por qué investigar las nanofibras de celulosa?

Al ser un material que se obtiene de fuentes vegetales tiene un carácter renovable, biodegradable y biocompatible. Poseen una gran razón largo/diámetro, es decir, su diámetro es de unos pocos nanómetros y su largo puede ser de varios micrones (10^-3, una milésima parte de un milímetro). Esto le otorga una gran superficie específica y, se agrupan formando una red, por lo que tienen alta capacidad de interacción con fibras de mayor tamaño.

Además, tienen excelentes propiedades mecánicas de resistencia y dureza, similar a la del acero pero 5 veces más livianas. También poseen una alta viscosidad y un gran número de grupos hidroxilos, que son susceptibles de modificar químicamente, para hacerlas compatibles con diversos materiales. Todas estas características las convierten en un excelente material reforzante y, a la vez muy liviano, permitiendo hacer más resistentes otros materiales donde se las puede incorporar, por ejemplo: papeles, cartones, adhesivos o incluso plásticos.

Nanoquímica y química de polímeros (Clic para bajar infografía en PDF, 1,9MB): Artículo e infografía desarrollado por la Unidad de Comunicaciones de UDT, con la colaboración del Dr. Gustavo Cabrera y Juan Cea, del Área Biomateriales de UDT. Fuentes: Nanotecnología: fundamentos y aplicaciones Editores: C. Lárez- Velásquez, S. Koteich-Khatib, F. López-González. Capítulo I, Nanopartículas: fundamentos y aplicaciones, Conceptos de Nanoquímica, Ricardo R. Contreras y Eduardo Cardozo, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes Mérida, Venezuela, 2015.
Proyectos UDT: Proyecto COPEC UC 2015R536: “Nano Fibras de Celulosa (NFC) con polaridad modificada”. / Proyecto CORFO Alta Tecnología 19IAT-112022: “Desarrollo de tecnología de producción de nanofibras de celulosa (NFC) químicamente modificadas, para aplicaciones de alto interés económico e impacto global” / Proyecto CORFO Innova Chile – 15VEIID-45654, “Papeles industriales de altas prestaciones mecánicas reforzados con NFC”.