Polímeros sustentables. Acerca de un tema de investigación específico
El Grupo Materiales Compuestos y Mezclas Poliméricas (MCyMP) del IFIMAT estudia diferentes tópicos en materiales que le dan su nombre. Dentro del área disciplinar de la Física el trabajo de investigación se encuadra en el campo específico dedicado al estudio de los materiales conocido como Física de Materiales.
Existe una gran variedad de materiales que usamos en nuestra vida diaria, dentro de ellos los conocidos como plásticos y gomas son técnicamente denominados polímeros. Se clasifican en forma general como termoplásticos, termoestables y elastómeros de acuerdo a propiedades específicas que no discutiremos. Los polímeros se forman por cadenas largas de átomos, básicamente cadenas de carbono. Justamente ese es el origen de su nombre; polímeros, que en Griego significa compuesto de varias partes.
La variedad y tipo de polímeros es enorme y se acrecienta día a día. El uso de polímeros artificiales o sintéticos en la vida diaria se incrementó profundamente en el siglo XX desplazando a metales o cerámicos en diversas aplicaciones. La Ciencia que estudia en particular los polímeros, o Ciencia de Polímeros es un área multidisciplinaria que actualmente ocupa un lugar de relevancia en el contexto general de la investigación. Se podría extender esta presentación sobre propiedades, estructura o conformado de los polímeros pero nos centraremos en un aspecto que estudiamos en nuestro Grupo: la cristalización que se produce en algunos de estos materiales.
A primera vista parece difícil que una cadena como la que se muestra en la Figura 1, pero de miles de átomos, pueda ordenarse en estructuras cristalinas. Sin embargo el orden se observa. Una de las formas en que se produce es conformando plegamientos de las cadenas de átomos. Estos plegamientos conforman estructuras llamadas lamelas. Las lamelas tienen dimensiones de algunos nanómetros es decir de 0.000000001 metro, por lo cual se deben utilizar técnicas específicas para estudiarles y particularmente para determinar sus dimensiones exactas. A su vez las lamelas pueden crecer radialmente en forma de esferas en estructuras llamadas esferulitas. Estas esferulitas crecen hasta alcanzar dimensiones de décimas de milímetro, que pueden ser observadas con un microscopio óptico. De hecho crecen a velocidades que se pueden estudiar fácilmente. En nuestro Grupo se han determinado tanto las dimensiones de las lamelas como de las esferulitas en un polímero en particular, el conocido como PHB acrónimo de polihidroxibutirato.
Se pueden hacer muchas preguntas sobre la cristalización de las cuales algunas se pueden responder y otras no, pero la pregunta que planteamos ahora es ¿por qué usar PHB? ¿se puede hacer lo mismo con otros polímeros? ¿todos los polímeros cristalizan?
Para tratar de explicar estas cuestiones vamos a analizar el ordenamiento de los átomos. Como se dijo anteriormente los polímeros son cadenas de átomos pero estás cadenas pueden ser lineales, ramificadas o conformar una red, estas últimas no cristalizan pero también son estudiadas en el grupo MCyMP. Las cadenas lineales tienen grupos de átomos que se desprenden de la cadena principal, pero lo pueden hacer en distintas direcciones. Entre los casos típicos se puede decir que lo hacen siempre hacia el “mismo lado”, hacia lados distintos pero en forma ordenada o hacia lados distintos en forma desordenada. Cuanto más ordenada se presente la cadena del polímero más fácil le resulta formar estructuras cristalinas, y por eso estudiamos el PHB. Este polímero proviene de microorganismos, bacterias para ser más específicos. Se somete a las bacterias a determinadas condiciones que favorecen que las mismas acumulen alimento, ese alimento es el PHB. Como en la naturaleza se observa orden en muchos aspectos, el PHB se ordena desde el punto de vista de la distribución lateral de los átomos respecto a la cadena principal. Esta característica hace que pueda cristalizar con facilidad, lo cual a su vez deviene en un problema porque lo hace al mismo tiempo muy frágil.
El PHB tiene otras características que lo hacen atractivo: es biodegradable, es decir que en determinado ambientes, el polímero se degrada de manera natural dejando residuos orgánicos. Los materiales biodegradables presentan hoy un futuro optimista: se pueden usar y luego se degradan sin producir contaminantes peligrosos, de manera tal que se disminuye el exceso de desechos que pueden agravar problemas ambientales. Asimismo, otro tipo de uso que se pretende implementar a futuro para este tipo de materiales es como prótesis en el campo de las Ciencias Médicas: si se usa un material biodegradable para reparar por ejemplo una estructura ósea, el material puede degradar mientras la parte biológica se regenera, proceso que debería producirse sin perjuicio para el ser vivo en tratamiento. Este uso evitaría la necesidad de tener que extraer las prótesis temporales una vez que la lesión ósea se ha recuperado. Las aplicaciones descriptas abren amplias expectativas para estos materiales, sin embargo queda aún mucho por estudiar para que se plasmen concretamente. Es allí donde nuestro Grupo hace un modesto aporte al conocimiento general, estudiando cuestiones básicas de estos materiales.
Figura 1. Esquema de la estructura química del PHB. Esta cadena se repite muchas veces más. Las esferas celestes representan átomos de carbono, las rojas de oxígeno y las líneas blancas de hidrógeno.
Figura 2. Micrografía, adquirida mediante microscopio óptico, de esferulitas en PHB que han crecido por un tratamiento térmico hasta “chocar” entre sí.
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