Un material diseñado por ingenieros químicos del MIT puede reaccionar con el dióxido de carbono del aire para crecer, fortalecerse e incluso repararse a sí mismo. El polímero, que algún día podría utilizarse como material de construcción o reparación o para recubrimientos protectores, convierte de forma continua el gas de efecto invernadero en un material de base carbono que se refuerza a sí mismo.
La versión actual del nuevo material es una sustancia sintética similar a un gel que lleva a cabo un proceso químico parecido al modo en que las plantas incorporan el dióxido de carbono del aire a sus tejidos en crecimiento. El material podría, por ejemplo, fabricarse en paneles de una matriz ligera que podrían enviarse a una obra de construcción, donde se endurecerían y solidificarían solo con la exposición al aire y a la luz solar, ahorrando así energía y costes de transporte.
El hallazgo se describe en un artículo publicado en la revista Advanced Materials, por el profesor Michael Strano, el posdoctorado Seon-Yeong Kwak y otras ocho personas del MIT y de la Universidad de California en Riverside
«Se trata de un concepto totalmente nuevo en la ciencia de los materiales», afirma Strano, catedrático Carbon C. Dubbs de Ingeniería Química. «Los llamados materiales de fijación de carbono todavía no existen» fuera del ámbito biológico, explica, al describir materiales que pueden transformar el dióxido de carbono del aire ambiente en una forma sólida y estable, utilizando únicamente la energía de la luz solar, tal como hacen las plantas.
Los investigadores señalan que desarrollar un material sintético que no solo evita el uso de combustibles fósiles para su creación, sino que además consume dióxido de carbono del aire, tiene beneficios evidentes para el medioambiente y el clima. «Imaginen un material sintético que pudiera crecer como los árboles, tomando el carbono del dióxido de carbono e incorporándolo a la estructura del material», afirma Strano.
El material que el equipo utilizó en estos experimentos iniciales de prueba de concepto sí empleó un componente biológico: los cloroplastos, los componentes captadores de luz presentes en las células vegetales, que los investigadores obtuvieron de hojas de espinaca. Los cloroplastos no están vivos, pero catalizan la reacción del dióxido de carbono para producir glucosa. Los cloroplastos aislados son bastante inestables, lo que significa que tienden a dejar de funcionar tras unas pocas horas una vez extraídos de la planta. En su artículo, Strano y sus colaboradores demuestran métodos para aumentar de forma significativa la vida catalítica de los cloroplastos extraídos. En trabajos en curso y futuros, los cloroplastos se están sustituyendo por catalizadores de origen no biológico, explica Strano.
El material utilizado por los investigadores, una matriz de gel compuesta por un polímero elaborado a partir de metacrilamida de aminopropilo (APMA) y glucosa, una enzima llamada glucosa oxidasa y los cloroplastos, se vuelve más resistente a medida que incorpora el carbono. Todavía no es lo bastante resistente como para usarse como material de construcción, aunque podría funcionar como material de relleno de grietas o de recubrimiento, según los investigadores.
El equipo ha desarrollado métodos para producir materiales de este tipo a escala de toneladas y actualmente se centra en optimizar las propiedades del material. Según afirman, aplicaciones comerciales como los recubrimientos autorreparables y el relleno de grietas son viables a corto plazo, mientras que se necesitan más avances en la química de la estructura y en la ciencia de los materiales antes de que puedan desarrollarse materiales de construcción y compuestos.
Una de las principales ventajas de estos materiales es que se autorrepararían al exponerse a la luz solar o a cierta iluminación interior, afirma Strano. Si la superficie se raya o se agrieta, la zona afectada crece para rellenar los huecos y reparar el daño, sin necesidad de ninguna acción externa.
Aunque se ha hecho un esfuerzo generalizado por desarrollar materiales autorreparables que puedan imitar esta capacidad de los organismos biológicos, según los investigadores, todos ellos han requerido una aportación externa activa para funcionar. Para activar el proceso se necesitaban calor, luz UV, tensión mecánica o tratamiento químico. En cambio, estos materiales solo necesitan luz ambiental y absorben masa de carbono de la atmósfera, que es omnipresente.
El material comienza siendo un líquido, explica Kwak, y añade: «es emocionante observarlo mientras empieza a crecer y a agruparse» hasta adoptar una forma sólida.
«La ciencia de los materiales nunca había producido nada parecido», afirma Strano. «Estos materiales imitan algunos aspectos de algo vivo, aunque no se reproducen». Dado que el hallazgo abre un amplio abanico de posibles investigaciones de seguimiento, el Departamento de Energía de Estados Unidos patrocina un nuevo programa dirigido por Strano para seguir desarrollándolo.
«Nuestro trabajo demuestra que el dióxido de carbono no tiene por qué ser únicamente una carga y un coste», afirma Strano. «También representa una oportunidad en este sentido. El carbono está en todas partes. Construimos el mundo con carbono. Los seres humanos estamos hechos de carbono. Crear un material capaz de aprovechar el abundante carbono que nos rodea supone una oportunidad significativa para la ciencia de los materiales. De este modo, nuestro trabajo consiste en crear materiales que no solo sean neutros en carbono, sino con emisiones negativas de carbono».
El equipo de investigación incluyó a Juan Pablo Giraldo, de la UC Riverside, y a Tedrick Lew, Min Hao Wong, Pingwei Liu, Yun Jung Yang, Volodomyr Koman, Melissa McGee y Bradley Olsen, del MIT. El trabajo contó con el respaldo del Departamento de Energía de Estados Unidos.
