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Entradas etiquetadas como ‘plásticos’

Neumáticos que se reparan solos: un sueño hecho realidad

Por Marianella Hernández (CSIC)*

Uno de los problemas a los que se enfrenta la sociedad en la actualidad es la cantidad de desechos plásticos. Entre ellos, se encuentra el gran número de cauchos utilizados en la fabricación de neumáticos para aeronaves, vehículos de carga y de pasajeros. Tras una larga vida, los neumáticos se convierten en inservibles y necesitan ser desechados.

Tradicionalmente estos materiales se venían depositando en vertederos al aire libre; con los riesgos medioambientales que esto conlleva debido a que no se descomponen fácilmente. Sin embargo, a partir de julio de 2006 y gracias a la entrada en vigor del Real Decreto 1619/2005 sobre gestión de neumáticos fuera de uso, ha quedado prohibido arrojarlos en los vertederos como medida para paliar el problema medioambiental.

cementerio de neumaticos

Cementerio de neumáticos.

Por ende, se han comenzado a explorar diferentes alternativas para la disposición de desechos de neumáticos, siendo el reciclado una de ellas. No obstante, de cerca de tres millones de toneladas que se lanzan cada año a la basura en Europa, solo en España se reciclan unas 200.000 toneladas. Nos preguntamos entonces ¿por qué es tan difícil reciclar neumáticos? Esta dificultad viene asociada a su complicada estructura y composición. Un neumático está formado por varios tipos de cauchos que han sido vulcanizados con azufre, además de filamentos de acero y fibras de nylon, poliéster o celulosa. Todos estos componentes deben ser separados y clasificados durante el proceso de reciclado. Adicionalmente, los neumáticos son materiales insolubles y estables térmicamente que no pueden ser reprocesados fácilmente, como sí lo son las botellas de agua o de bebidas gaseosas por ejemplo, que comúnmente consumimos y desechamos en los contenedores amarillos de reciclaje.

Es por ello que además de gestionar el reciclado de neumáticos, los fabricantes están investigando nuevos materiales que generen un impacto menor en el medioambiente. Así pues, los materiales auto-reparadores se presentan como otra alternativa para solventar el problema de la disposición de desechos de neumáticos. ¿En qué consisten estos materiales? Para entenderlo de manera sencilla, veamos ejemplos presentes en la naturaleza capaces de auto-repararse. Cuando una persona sufre algún daño en su piel, ésta se regenera mediante el proceso de cicatrización. A los lagartos después de cierto tiempo les crece alguna parte de su cuerpo que haya sido previamente cortada. Mientras que los tallos y ramas de los árboles se regeneran de manera espontánea después de ser podados.

Ciclo de reparación de un caucho natural.

Ciclo de reparación de un caucho natural.

Inspirados en estos mecanismos propios de la naturaleza, los neumáticos auto-reparadores buscan imitarlos, de manera que una vez que se pinchen o se rompan, las fisuras o daños creados se reparen una y otra vez, extendiendo el ciclo de vida regular de los mismos y contribuyendo a disminuir la cantidad de desechos generados. Un estudio reciente de la firma n-tech Research ha identificado el potencial comercial de los materiales auto-reparadores que están emergiendo de laboratorios industriales. La firma ha cuantificado la relevancia económica de estos materiales y ha proyectado un crecimiento de 2.500 millones de euros para el año 2020.

Actualmente, en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC estamos desarrollando materiales con inherente capacidad auto-reparadora, y estudiando la integración de materiales reciclados con nuevos sistemas de auto-reparación. La tecnología está basada en los enlaces de azufre presentes en el caucho que han sido previamente dañados y que son capaces de reformarse al aplicar temperatura por un tiempo determinado. Los resultados logrados son muy prometedores, alcanzando actualmente una capacidad reparadora de más del 70%.

En conclusión, creemos que el impacto global de estos desarrollos será extraordinario. El concepto de auto-reparación mejorará significativamente la seguridad y eficiencia energética de los materiales desarrollados por el ser humano. Además, la prolongada vida útil de los productos hechos con estos materiales inteligentes ayudará a solventar el problema de los desechos y disminuirá los costos de mantenimiento. Y quizás, en muy poco tiempo el sueño de tener neumáticos que se reparen solos sea una realidad.

*Marianella Hernández es investigadora del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.

‘Plásticos’, los nuevos antibióticos

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Por Gema de la Asunción (CSIC)*

Seguro que conoces a alguien que ha tomado un antibiótico “por si acaso”, o “porque ayuda a las defensas” o porque, en todo caso, “daño no nos va hacer”. Por ejemplo, entre los años 60 y 80 los médicos recetaban mucho las tetraciclinas para tratar catarros y anginas. Entonces no se sabía que este fármaco tiene ‘apego’ por los dientes y se deposita en ellos durante su actividad metabólica, así que cuando se administra a un niño menor de 12 años, afecta al desarrollo de sus huesos y puede teñir su dentadura de color amarillo para el resto de su vida.

 La tetraciclina fue a menudo recetada como antibiótico entre los años 60 y 80 / Rillke / Wikipedia

La tetraciclina fue a menudo recetada como antibiótico entre los años 60 y 80 / Rillke / Wikipedia

Lo de los dientes no deja de ser más un problema estético… Pero lo que verdaderamente preocupa a los científicos es el incremento alarmante de las resistencias provocadas por la administración excesiva e irresponsable de estas medicinas. El microorganismo se hace resistente al antibiótico y este deja de funcionar. Si el descubrimiento de la penicilina inauguró “la era de los antibióticos” e incrementó la esperanza de vida de forma exponencial, el problema de las resistencias provoca cada año 25.000 muertes en Europa.

Por ello se buscan nuevas formas de combatir infecciones más allá de los antibióticos tradicionales, cuya desventaja consiste en que, al atacar solo mediante la vía metabólica, los microbios logran desarrollar un mecanismo de resistencia en una o dos décadas.

Uno de estos nuevos métodos es el uso de polímeros con actividad antimicrobiana. Estos compuestos químicos están formados por la unión repetida de unidades llamadas ‘monómeros’ que forman largas cadenas. Basándose en esta tecnología, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP) del CSIC han desarrollado una nueva familia de polímeros con actividad antimicrobiana. ¿En qué se diferencian de un antibiótico tradicional?

 La bacteria Escherichia Coli, causante de diarreas y dolores estomacales, podría ser combatida con estos nuevos antibióticos / Wikipedia

La bacteria Escherichia Coli, causante de diarreas y dolores estomacales, podría ser combatida con estos nuevos antibióticos / Wikipedia

“Como tienen carga positiva, los nuevos polímeros solubles en agua atraen mediante interacciones electrostáticas a las bacterias cuya membrana celular está cargada negativamente. Al producirse esta interacción, la membrana se destruye y provoca la muerte del hongo o bacteria”, explica Marta Fernández-García, investigadora del ICTP responsable del trabajo. Al morir, el microorganismo no puede mutar y, por tanto, hacerse resistente.

El estudio también confirma que estos materiales, que se obtienen de manera sencilla mediante un método de polimerización convencional, son eficaces a baja concentración contra los patógenos, pero resultan inocuos frente a los glóbulos rojos. Esta es una novedad importante porque aunque en investigaciones previas se habían conseguido moléculas efectivas, se daba la paradoja de que cuanto más activo era el sistema, mayor toxicidad generaba en el organismo.

Las aplicaciones de estos compuestos son prometedoras en la búsqueda de nuevos fármacos con los que tratar enfermedades causadas por Escherichia Coli o Staphylococcus Aureus, resistentes a los ‘últimos cartuchos’ de antibióticos convencionales, pero también podrían usarse en otros campos como la preservación de alimentos y su envasado, pinturas y recubrimientos o industria textil.

 

* Gema de la Asunción trabaja en la Unidad de Cultura Científica del Centro de Química Orgánica “Lora-Tamayo” (CENQUIOR) del CSIC.

Biopolímeros: los plásticos del futuro

imagen Amparo Lopez RubioPor Amparo López Rubio (CSIC)*

Los polímeros son compuestos químicos que se forman por la unión repetida de moléculas, esas partículas formadas por átomos de las que se compone la naturaleza. De un modo muy gráfico, podríamos imaginar un polímero como un plato de espaguetis. Cada espagueti sería una cadena individual del polímero formada por repeticiones de la unidad estructural mínima que se repite en los mismos, y que se llama monómero. Hay muchos tipos de polímeros, unos naturales como la seda o el caucho, y otros sintéticos, como el nailon. Ahora fijémonos en un tipo concreto: los plásticos, que son polímeros sintéticos con aditivos, o utilizando el símil anterior, los espaguetis con su salsa. Y del mismo modo que existen muchos tipos de salsas y muchos tipos de pastas, también contamos con una gran variedad de monómeros y aditivos que dotan a estos materiales de una extraordinaria versatilidad, lo que permite adaptarlos a diferentes aplicaciones, modulando sus propiedades en función del producto que queramos desarrollar. Esta gran versatilidad, unida a la posibilidad de modificarlos, o incluso combinarlos con otros materiales, ha convertido a los polímeros, y por extensión a los plásticos, en los materiales más utilizados en la actualidad en sectores tan dispares como la alimentación, la industria textil o la aeronáutica.

Sin embargo, los plásticos cuentan con dos grandes inconvenientes. El primer problema es que provienen del petróleo, un recurso no renovable, limitado y cuyas reservas se encuentran en manos de unos pocos que controlan la economía mundial. Las subidas en los precios del petróleo tienen como consecuencia plásticos más caros y, por tanto, un mayor coste para nuestros bolsillos.

El segundo gran problema está en los residuos que generan, ya que una pequeña parte de los plásticos se recicla, pero la mayoría se lleva a vertederos donde pueden tardar 400 años en descomponerse. Además, muchos de esos plásticos van a parar a los océanos, donde existen grandes acumulaciones en toda la superficie oceánica, como se demostró en la Expedición Malaspina. Esto tiene graves consecuencias, ya que estos residuos tóxicos acaban pasando a la cadena alimenticia al ser ingeridos por los peces.

Mapa-Malaspina-plasticos

Mapa de la concentración de residuos plásticos elaborado a partir de la Expedición Malaspina, que demostró que existen cinco grandes acumulaciones de residuos plásticos en el océano abierto coincidentes con los cinco grandes giros de circulación de agua superficial oceánica.

Para contrarrestar estos inconvenientes, en los últimos años se ha puesto un especial énfasis en el desarrollo de lo que se conoce como biopolímeros o bioplásticos, que son polímeros derivados de recursos naturales renovables o bien polímeros biodegradables, para sustituir, al menos de forma parcial o en determinadas aplicaciones, a los tradicionales plásticos sintéticos.

Los biopolímeros suelen agruparse en tres grandes grupos según su fuente de obtención:

  • Biopolímeros directamente extraídos de biomasa, como el almidón de las patatas, el maíz o el trigo; la celulosa; alginatos o carragenatos procedentes de algas; o el quitosano que se extrae de la cáscara de crustáceos. También se han conseguido biopolímeros a partir de proteínas de fuente animal como la gelatina y de origen vegetal (proteína de soja o gluten). Algunos de estos biopolímeros pueden procesarse utilizando tecnologías convencionales de procesado plástico. Un ejemplo es el almidón para bolsas de plástico biodegradable.
  • Los microorganismos también pueden ser de utilidad en esta búsqueda de alternativas. La celulosa bacteriana, un polímero obtenido por fermentación con microorganismos, o los polihidroxialcanoatos (PHAs), biopolímeros que algunos microorganismos acumulan como reserva de carbono y energía cuando hay limitaciones nutricionales en el medio donde viven, tienen aplicaciones como envases de larga y corta duración, implantes utilizados en medicina y productos de higiene.
  • Biopolímeros obtenidos a partir de monómeros derivados de biomasa. Es el caso del ácido poliláctico (PLA), obtenido generalmente a partir de almidón de maíz, y otros biopoliésteres. Se utilizan para diversas aplicaciones de envasado y en agricultura para fabricar mulch films o mantillos con los que cubrir los cultivos y preservarlos de los efectos del clima.

En general los biopolímeros tienen propiedades térmicas, mecánicas y de barrera a gases, aromas o vapor de agua inferiores a los polímeros sintéticos, lo cual limita o impide su uso para determinadas aplicaciones. Pero estos impedimentos pueden ser salvados y, de hecho, se está trabajando con nanotecnologías para desarrollar materiales que superen estas deficiencias.

Amparo López Rubio es investigadora del Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (CSIC).

¿Por qué una botella de plástico se ablanda con el calor?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Es una imagen cotidiana y que hemos visto mil veces: una botella de agua (vacía, claro está) que con altas temperaturas se retuerce y se derrite. A menudo nos encontramos con una serie de fenómenos físicos o químicos que, por habituales, suelen pasar desapercibidos. Por ejemplo, ¿se han parado a pensar por qué algunos materiales poliméricos, como el polietileno de las bolsas de plástico o el caucho, son flexibles, mientras que otros, como el PVC o el metacrilato, son rígidos? (Empleo el término ‘materiales poliméricos’ y no ‘plásticos’ porque, si bien todos los plásticos son polímeros, otros polímeros no son plásticos, como ocurre con el caucho o con productos naturales como la celulosa o las proteínas).

Cuestión de flexibilidad

    Con el calor, los crisstales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como es el caso de las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

Con el calor, los cristales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

La razón está en una magnitud física denominada transición vítrea que, aunque no es exclusiva de estos materiales, sí es típica de ellos debido a su peculiar estructura interna. La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. Es un fenómeno que está asociado a los sólidos amorfos o vítreos, de ahí su nombre, y que no se presenta en los materiales cristalinos. Veamos por qué.

Mientras los cristales se funden transformándose en líquidos, los vidrios se van reblandeciendo conforme los calentamos. Esto se debe a que un vidrio es en realidad un líquido subenfriado, es decir, un material con la misma estructura interna de un líquido -amorfos ambos- pero con una viscosidad tan alta que sus moléculas carecen de libertad de movimiento. Entonces, no hay una diferenciación clara, a modo de cambio de fase, entre un líquido y un vidrio pastoso.

Donde sí hay diferencias es entre un vidrio flexible y uno rígido, aunque en ambos casos el material sigue siendo amorfo. La rigidez se debe a que las moléculas que constituyen el material están confinadas sin capacidad de desplazarse, mientras que la flexibilidad existe cuando éstas disponen de cierta libertad de movimiento, aunque inferior a la que presentan los líquidos.

Desde un punto de vista físico la transición vítrea no es un cambio de estado, tal como ocurre con la fusión o la evaporación. La diferencia es fácil de entender. Si cogemos agua a temperatura ambiente y le aplicamos calor, lo primero que empieza a hacer es calentarse, incrementándose su temperatura. Pero cuando alcanza los 100º C -en realidad la temperatura exacta de ebullición depende de la presión- y comienza a hervir, la temperatura se queda clavada en ese valor, ya que el calor que le seguimos suministrando se consume ahora no en un aumento de temperatura, sino en el proceso de evaporación. No será hasta que toda el agua se haya evaporado, cuando el vapor resultante comience a calentarse de nuevo. Lo mismo ocurre con cualquier otro cambio de fase, de manera que, si bien podemos tener hielo por debajo de 0º C, una mezcla de agua y hielo en equilibrio termodinámico tendrá que estar forzosamente a esa temperatura hasta que se funda todo el hielo o hasta que se congele toda el agua, según calentemos o enfriemos.

    La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa.  / Wikipedia

La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. / Wikipedia

Sin embargo, en la transición vítrea no ocurre esto, ya que mientras tiene lugar la transformación de rígido a flexible, o viceversa, la temperatura sí varía. Por eso no es un verdadero cambio de fase, aun cuando sus efectos sean ciertamente notables. Se la denomina transición de segundo orden.

Volvamos a los polímeros. Tal como comenté en un post anterior, éstos se caracterizan por ser materiales semicristalinos -aunque los hay amorfos-, estando formados por regiones cristalinas que se intercalan entre otras amorfas. Así pues, además de una temperatura de fusión en la que la fracción cristalina se funde, los polímeros suelen presentar además una temperatura de transición vítrea, que es la que determina que sean flexibles o rígidos a temperatura ambiente.

Los polímeros flexibles son aquellos cuya temperatura de transición vítrea está por debajo de la temperatura ambiente. La del polietileno es de -125º C, la del caucho sintético, -120º C; y la del caucho natural, -75º C, por poner tan sólo unos ejemplos. En el extremo opuesto están los polímeros rígidos cuya temperatura de transición vítrea es mayor que la temperatura ambiente, como el PVC (80º C), el metacrilato (120º C), el poliestireno (100º C) o el PET de las botellas de agua (60º C). En todos los casos esta magnitud es característica de cada tipo de polímero.

Si calentamos un polímero rígido hasta hacerle rebasar su temperatura de transición vítrea -sin alcanzar el punto de fusión, porque entonces se derretiría-, se hará flexible; así, una botella de plástico calentada por encima de 60º C se volverá blanda y se aplastará, al no poder soportar su propio peso. Justo al contrario, si introducimos un tubo de goma en nitrógeno líquido, a casi 200º C bajo cero, éste se volverá duro y frágil como el cristal… perdón, quería decir como el vidrio.

 

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/

Sólido, líquido, gaseoso, plasma… ¿Hay más estados de la materia?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Todos hemos estudiado en el colegio que los estados de la materia eran tres: sólido, líquido y gaseoso. También habremos leído que el cuarto estado de la materia era el plasma, en realidad un gas cargado eléctricamente. Pero aparte de estos cuatro, ¿puede considerarse que hay más estados de la materia? Pues por ejemplo, si tenemos en cuenta que en realidad el estado sólido no es tal, sino un conjunto de diferentes formas de ‘solidificarse’ la materia, sí.

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Aunque sabemos identificar de forma intuitiva un sólido, basta con estudiar su estructura interna para encontrarnos con diferencias muy importantes según estén distribuidas las partículas que lo componen (átomos, moléculas o iones, según el caso). También es relevante la movilidad relativa de estas partículas entre sí, es decir, su capacidad de moverse unas con respecto a otras.

Para empezar, es necesario diferenciar entre los cristales y los vidrios, advirtiendo que para los químicos los términos ‘cristal’ y ‘vidrio’ no tienen nada que ver (es más, son opuestos) con el uso habitual que se hace de ellos. Lo que llamamos cristal, como por ejemplo el de una botella, es en realidad un vidrio desde el punto de vista químico.

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

La diferencia entre ambos tipos de sólidos estriba en la forma en la que están constituidos ‘por dentro’: en un cristal las partículas que lo componen están rígidamente ordenadas siguiendo unas pautas geométricas determinadas, mientras que en un vidrio éstas se distribuyen al azar sin ningún tipo de orden, por lo que también podemos hablar de materiales amorfos. Los cristales serían el equivalente a un desfile militar y los vidrios a una calle llena de peatones paseando despreocupadamente. Así pues, el concepto diferenciador entre ambos es el de orden-desorden. Por cierto, un cristal no tiene por qué ser transparente -el diamante lo es, pero la pirita no- y, asimismo, hay vidrios transparentes -el de las botellas- y vidrios opacos, como la obsidiana o el ópalo.

La cosa se complica todavía más si consideramos que entre los cristales (orden total en las tres dimensiones) y los vidrios (desorden total en las tres dimensiones) podemos encontrarnos con situaciones intermedias, tal como ocurre con los polímeros. Estos materiales, cuyos componentes más conocidos son los plásticos, están constituidos por unas moléculas de gran tamaño, o macromoléculas, formadas por el ensamblado de otras más pequeñas, de forma similar a los eslabones de una cadena. Debido a sus dimensiones, para estas moléculas es difícil cristalizar, es decir, colocarse de una manera ordenada, razón por la cual en muchos polímeros se alternan las regiones cristalinas con las regiones amorfas, siendo por lo tanto unos materiales semicristalinos… Aunque no todos, ya que también existen polímeros amorfos. Lo que nunca podremos encontrar será polímeros completamente cristalinos.

Las partículas que componen os cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Las partículas que componen los cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Existen también unas estructuras intermedias denominadas mesofases, en las cuales nos encontramos con diferentes tipos de orden parcial; pero no como ocurría en los polímeros, en los que las regiones cristalinas al 100% alternaban con regiones amorfas también al 100%, sino de otra manera diferente, con orden total en una o dos de las tres dimensiones y desorden también total en las restantes. Éste es el caso de los cristales líquidos (móviles, pantallas táctiles, etc.), de los cuales existen dos grupos principales -aunque hay varios más- según sus átomos estén ordenados en una dirección, como ocurre con un manojo de espárragos, o en dos, tal y como sucede con un puñado de monedas desparramadas en una mesa. Sus nombres respectivos son nemáticos -del griego ‘nema’, ‘hilo’- y esmécticos.

Para terminar, nos encontramos con los cuasicristales, que poseen una estructura ordenada pero no periódica, es decir, que no se repite indefinidamente; y también con los cristales plásticos, en los cuales las moléculas que los conforman están distribuidas de una forma regular, pero gozan de cierta libertad de movimientos que les permite rotar parcialmente sobre su punto de equilibrio sin llegar a romper la estructura geométrica del cristal.

 

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/