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, de Madrid, España, un equipo de científicos integrado, entre otros, por Ion Isasti y 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 con una molécula en forma de anillo a su alrededor, conocidos como MINTs (Mechanically Interlocked Carbon Nanotubes).
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.
Fuente: noticiasdelaciencia.com