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MATERIALES AVANZADOS
POLIMEROS MODERNOS: VERDES, CONDUCTORES,
FULERENOS, NANOALEMBRES Y NANOTUBOS
Introducción.
Frente a los polímeros convencionales, los polímeros avanzados o polímeros
técnicos se caracterizan por ser productos de novedosos procesos o combinaciones de
materiales que les confieren ciertas propiedades, prestaciones o aplicaciones de gran
interés industrial. Todo ello está íntimamente ligado a las características estructurales del polímero que, como veremos, vienen determinadas por la naturaleza química de las
moléculas que lo componen.
POLÍMEROS AVANZADOS
Las características en las propiedades y aplicaciones de los polímeros y la sofisticación tecnológica permite llevar a cabo procesos de síntesis con nuevas combinaciones, en
los que se realiza un mayor control sobre la estructura del polímero, de manera que se consiguen materiales mejorados o novedosos, con altas prestaciones y aplicaciones.
Polímeros Verdes.
Se sabe además que todos los polímeros (Plásticos, hule, micas, recubrimientos, etc.,) han venido a mejorar y facilitar la calidad de vida de las personas, pero todo esto tiene un impacto en el medio ambiente y esta es la razón principal de la aplicación de las resinas verdes.
Esta herramienta verde tiene sus orígenes en los años ochenta en Estados Unidos, mediante el acta de prevención de la contaminación, y también, Warner et al. (2004) concientizaron a muchos investigadores sobre el daño que se genera en la fabricación de materiales tóxicos y contaminantes. Es por eso la alternativa es la química verde para la prevención de la contaminación ambiental mediante diseño de procesos y productos químicos.
El polietileno verde, cuya materia prima es eteno derivado de etanol de caña de
azúcar, fue desarrollado por Braskem con el objetivo de ser totalmente reciclable y
reutilizable, como los plásticos tradicionales de base petroquímica, con la diferencia de que captura CO2 durante su ciclo de producción, ayudando a la reducción de emisiones de gases con efecto invernadero. Según Leonora Novaes, líder de desarrollo de mercado de químicos verdes de esta empresa, por cada tonelada de resina producida, son capturadas hasta 2,5 toneladas de CO2 de la atmósfera.
En su portafolio de productos de origen renovable, Braskem dispone de una gama variada de grados de PEAD y PELBD. Esos grados permiten gran versatilidad de aplicaciones, principalmente en los segmentos de cuidado personal, alimentos y automotor.
Mencionaremos tambien que los polímeros verdes son usados de forma ecológica por su degradación en el ambiente pero sufren de oxidación que se da de dos formas:
- Oxidación térmica: por estar expuestos a altas temperaturas.
- Oxidación foto catalizada: por estar expuestos a la luz solar.
Aplicaciones de los polímeros verdes
Son diversos peros principalmente en el área de la salud, como las biomédicas. Se
publicaron numerosos artículos donde se estudia la aplicación de materiales poliméricos con propiedades de biodegradabilidad y biocompatibilidad, debido a la gran demanda en su síntesis para usos biomédicos y terapéuticos. Tales como;
Catéteres.
Piel artificial.
Materiales usados en cirugía e ingenieros de tejidos (tejidos artificiales, venas, etc. En la actualidad muchos de estos productos se utilizan en el proceso de quimioterapia.
Por otra parte, en los laboratorios de sistesis verde y en la química de materiales avanzados se llevó a cabo la síntesis y micelizacion de un copolimero biodegtradable, y se caracterizó mediante FTIR, HRMN, GPC y fluorescencia, con la finalidad de conocer las propiedades que el polímero posee, tales como biodegradabilidad e higroscopicidad. Este tipo de materiales como ya dijimos tienen aplicaciones en el área de la bioquímica como implantes, agentes antidrogas, anticancerígenos, proteínas y andamios óseos (Carlotti et al, 2001; Ehtezazi y Governder, 2000; Manjula et al., 2010; Matsumura, 2008, Tudorachi y Lipsa, 2009; Tudorachi y Lipsa, 2004; Yang, Wang y Tan, 2008; Yu et al, 2009).
De igual manera, el copolímero de polivinil alcohol/polietilenimina/gel (PVA/ PEI/Gel) se utiliza en la fabricación de lentes de contacto, en el reemplazo de la piel, músculos artificiales y la reconstrucción de las cuerdas vocales.
El desarrollo de macromoléculas más verdes aportará nuevas rutas sintéticas que coadyuven en la disminución de los contaminantes. Para ello es necesario estudiar minuciosamente el proceso de fabricación del polímero y el mecanismo de degradación, ya que esta propiedad permitirá que no se acumulen más desechos plásticos y así los niveles de polución de suelos se reduzcan de manera considerable;
consiste en incorporar a la estructura cierto tipo de átomos, cuya electronegatividad es
marcadamente diferente de la que posee el carbono.
Los compuestos que más atención ha recibido por sus especiales características son: poliparafenilo, politiofeno, polipirrol y la polianilina. Entre ellos destaca el poliacetileno
que presenta la mayor conductividad, una cuarta parte del cobre a igualdad de volumen y el doble que la de éste a igualdad de peso.
Aplicaciones
Los parámetros técnicos más importantes son: el porcentaje de variación de la absorción entre los estados oxidado y reducido, y el tiempo de respuesta. El primer parámetro está relacionado con la capacidad de almacenamiento de carga en la película. El tiempo de transición está relacionado con las velocidades de oxidación/ reducción, controladas por procesos de relajación.
Pantallas planas y dispositivos de visualización. Ambos dispositivos están basados en propiedades electrocrómicas. Se pueden construir sobre sistemas transparentes o sobre superficies metálicas pulidas (espejos). Las propiedades más importantes son la variación de la definición del color en pequeñas superficies y los tiempos de transición, menores de 0,1 s para pantallas planas.
Espejos inteligentes. Este dispositivo está basado también en dispositivos electrocrómicos. Trabaja con grandes reflectancias y bajas absorciones. La reducción parcial provoca un incremento en la absorción evitando altas intensidades de reflexión en los espejos retrovisores de los coches.
Filtros ópticos. Un cambio en el estado de oxidación incluye un filtro para un nuevo color. Son necesarios polímeros que pasen a través de diferentes colores bien definidos
(anilinas, tiofenos, etc.) o capaces de grandes variaciones de absorción en diferentes zonas del IR.
Músculos artificiales. Un músculo puede ser considerado como un dispositivo electroquimiomecánico: un pulso eléctrico que llega desde el cerebro a través del sistema nervioso desencadena reacciones químicas y provoca un cambio en el volumen con el consiguiente movimiento macroscópico. Procesos similares son descritos con los polímeros conductores. En nuestro laboratorio fue desarrollado un sistema de dos capas (polímero conductor/polímero no conductor, adherente y flexible) para transformar los movimientos moleculares microscópicos en movimientos macroscópicos. Trabajando con un electrodo de 3 cmx1 cmx40 μm el extremo libre del electrodo describe un movimiento angular de 180° alrededor del extremo fijo en unos pocos segundos.
Nervios artificiales. Los polímeros conductores son conductores electrónicos y conductores iónicos y son capaces de emitir y absorber una sustancia como respuesta a un pulso eléctrico. Siguiendo esta vía, un conductor orgánico podría llegar hasta una
dendrita de una célula nerviosa y transmitir un pulso iónico junto a la emisión de un neurotransmisor: la sinapsis.
Desde que Alan Heeger, Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa comenzasen el estudio de los polímeros conductores se ha analizado en profundidad todas las distintas combinaciones de polímeros y dopantes, dando lugar a muy diversos comportamientos electroquímicos, propiedades mecánicas y conductividad eléctrica. Debido a esta gran variedad, la producción de plásticos conductores es infinita.
Se pueden obtener estos polímeros con un sólo monómero o con muchos y emplear agentes dopantes mediante un polielectrolito o mediante la electrodeposición del polímero conductor sobre matrices inertes, de forma que se consiguen infinidad de propiedades distintas y, por tanto, de posibles aplicaciones en el mundo de la tecnología.
Fullerenos, Nanotubos, Nanoalambres y Nanocapsulas.
Los fullerenos (a veces escrito fulerenos) son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito. El primer fullereno se descubrió en 1985 y se han vuelto populares entre los químicos, tanto por su belleza estructural como por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos. Reciben este nombre de Buckminster Fuller, que empleó con éxito la cúpula geodésica en la arquitectura.
El hallazgo casual del fullereno se produjo al irradiar un disco de grafito con un láser y mezclar el vapor de carbono resultante mediante una corriente de helio. Cuando se examinó el residuo cristalizado, se encontraron moléculas constituidas por 60 átomos de carbono. Intuyendo que estas moléculas tenían una forma semejante a la cúpula geodésica construida con motivo de una Exposición Universal en Montreal en 1967 por el arquitecto Buckminster Fuller, fueron nombradas como Buckminsterfullerenos o más comunmente como fullerenos Hasta el siglo XX, el grafito y el diamante eran las únicas formas alotrópicas conocidas del carbono. En experimentos de espectroscopía molecular, se observaron picos que correspondían a moléculas con una masa molecular exacta de 60, 70 o más átomos de carbono. Harold Kroto, de la Universidad de Sussex, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl y Richard Smalley, de la Universidad de Rice, descubrieron el C60 y otros fullerenos en 1985, en un experimento que consistió en hacer incidir un rayo láser sobre un trozo de grafito. Ellos esperaban efectivamente descubrir nuevos alótropos del carbono, pero suponían que serían moléculas largas, en lugar de las formas esféricas y cilíndricas que encontraron. A Kroto, Curl y a Smalley se le concedió el premio Nobel de Química en 1996, por su colaboración en el descubrimiento de esta clase de compuestos. El C60 y otros fullerenos fueron más adelante observados fuera del laboratorio (ej. en el hollín de una vela). Hacia el año 1991, era relativamente fácil producir unos cuantos gramos de polvo de fullereno usando las técnicas de Donald Huffman y Wolfgang Krätschmer.
Ventajas de la molécula C
- Mayor reactividad química que la molécula C60. Esto significa más compuestos útiles.
- Altas temperaturas de transición de superconductividad
NANOTUBOS
En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro (nm). Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono o CNTs (Carbon Nanotubes).
Propiedades:
- Elevada relación radio/longitud que permite un mejor control de las propiedades unidireccionales de los materiales resultantes;
- Electrónicamente pueden comportarse como metálico, semimetálico o aislante dependiendo de su diámetro y helicidad. Se ha demostrado su comportamiento electrónico-cuántico monodimensional. Recientes estudios sugieren que podrían ser utilizados en pantallas planas por su buena capacidad como emisores de electrones.
- Elevada fuerza mecánica. Se ha comprobado que tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono.
Aplicaciones Estructurales
Debido a las excelentes propiedades mecánicas de los tubos de carbono, se han propuesto interesantes aplicaciones tan variadas como:
- Ropa.
- Chaquetas militares: que sean muy resistentes y a la vez informen del estado del individuo que las lleva.
- Hormigón: Para incrementar la resistencia a la tensión.
- (^) Polietileno: Para aumentar su elasticidad.
- Equipamiento deportivo: Para aumentar su fuerza y disminuir su peso.
- Volantes de inercia
- Puentes
Conclusiones La razón por la cual se han estudiado los materiales poliméricos se debe principalmente a su generación y a sus posibles aplicaciones. En nuestros días uno de los objetivos en su síntesis es la reducción de las fuentes de contaminación para solucionar los problemas ambientales que existen a causa de su producción y desecho.
Por esta razón, el desarrollo de macromoléculas más verdes aportará nuevas rutas sintéticas que coadyuven en la disminución de los contaminantes. Para ello es necesario estudiar minuciosamente el proceso de fabricación del polímero y el mecanismo de degradación, ya que esta propiedad permitirá que no se acumulen más desechos plásticos y así los niveles de polución de suelos se reduzcan de manera considerable; además, permitirá la utilización de estos materiales en distintas áreas.
Referencias.
http://www.posgradoeinvestigacion.uadec.mx/CienciaCierta/CC26/8verde.html
http://www.ehu.eus/reviberpol/pdf/DIC03/Toribio1.pdf
http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/Introduccion%20a% 20los%20nanomateriales.pdf
