La Exposición Universal de Nueva York de 1939-40 fue una de las exposiciones más grandes que el mundo había visto. Se invitó a los visitantes del parque Flushing Meadow, en Queens, a contemplar el «mundo del mañana», que les ofrecía un primer vistazo a maravillas como la televisión, el videoteléfono y el Ford Mustang.
También fue la primera ocasión de ver el nailon, la primera fibra sintética totalmente artificial del mundo. Se cosía para confeccionar medias en una demostración de máquinas de tejer, mientras dos modelos jugaban a tirar de la cuerda para mostrar la resistencia del tejido. El nailon había sido descubierto cuatro años antes por el equipo de Wallace Carothers en la división de investigación de DuPont. Se presentó en la feria como las nuevas medias «fabricadas íntegramente con materias primas tan comunes como el carbón, el agua y el aire», que podían convertirse en filamentos «tan resistentes como el acero».
Las medias de nailon se convirtieron en un enorme éxito, por supuesto: solo en su primer año se vendieron 64 millones de pares para DuPont. El nailon tenía cualidades superiores a las del producto natural, la seda, y pronto encontró muchos usos prácticos, aunque a veces menos elegantes. Hoy sigue utilizándose ampliamente en tejidos, tapicería, artículos deportivos, cuerdas de instrumentos y piezas de automóviles.
Desde el inicio de esta nueva era de materiales totalmente sintéticos, los avances no tienen parangón en la historia de los materiales. Los químicos han descubierto nuevos catalizadores y desarrollado nuevas rutas sintéticas para unir moléculas pequeñas en largas cadenas de polímeros con las propiedades adecuadas para un uso determinado: por ejemplo, las fibras de polipropileno que usamos en las alfombras, o las variedades rígidas de polietileno para fabricar botellas de plástico.
Los físicos, científicos de materiales e ingenieros también han diseñado nuevos métodos de procesamiento y tecnologías para mejorar el rendimiento y crear sustancias como materiales extremadamente resistentes, como el Kevlar.
Con razón, al mismo tiempo nos volvemos más exigentes. Esperamos productos que mejoren aún más nuestra calidad de vida, pero queremos materiales y tecnologías cada vez más eficientes desde el punto de vista energético, sostenibles y capaces de reducir la contaminación mundial. Es todo un desafío.
Estos son cinco tipos de polímeros que darán forma al futuro.
1. Bioplásticos
Como se nos recuerda a menudo, los plásticos no se degradan y son una fuente muy visible de contaminación ambiental. Para complicar aún más las cosas, los componentes básicos de estos materiales, que llamamos monómeros, se obtienen históricamente del petróleo crudo, que no es renovable.
Pero esto está cambiando. Gracias a las innovaciones en los procesos que utilizan enzimas y catalizadores, cada vez es más posible convertir recursos renovables como el biogás en los principales componentes básicos para fabricar plásticos y cauchos sintéticos.
Estas sustancias son sostenibles porque ahorran recursos fósiles. Pero, por supuesto, esto solo resuelve parcialmente el problema. A menos que también sean biodegradables, siguen siendo un problema para el medio ambiente.
2. Compuestos y nanocompuestos plásticos
Los compuestos plásticos son plásticos reforzados con distintas fibras para hacerlos más resistentes o elásticos. Por ejemplo, se puede fortalecer un polímero incorporando fibras de carbono, lo que crea un material ligero, ideal para el transporte moderno de bajo consumo de combustible.
Estos tipos de plásticos reforzados con fibras se utilizan cada vez más, especialmente en la industria aeroespacial (el Boeing 787 y el Airbus A360 están compuestos en un 50 % por materiales compuestos). Si no fuera por sus elevados costos, estos materiales se utilizarían en todos los vehículos.
Entre las incorporaciones más recientes a este campo están los nanocompuestos, en los que los plásticos se refuerzan con partículas diminutas de otras sustancias, incluida la grafeno. Tienen numerosos usos potenciales, desde sensores ligeros en las palas de turbinas eólicas hasta baterías más potentes y estructuras de soporte internas que aceleran la curación de huesos rotos.
Los nanocompuestos serán especialmente interesantes si logramos producirlos mediante métodos de procesamiento que permitan diseñarlos de forma muy controlada. Si observamos las estructuras de los materiales naturales, como la madera, vemos que son increíblemente complejas e intrincadas. En comparación, nuestros compuestos y nanocompuestos actuales son muy poco sofisticados.
3. Polímeros autorreparables
Por mucho cuidado que pongamos al seleccionar materiales para aplicaciones de ingeniería, según su capacidad para soportar esfuerzos mecánicos y condiciones ambientales, inevitablemente fallarán. El envejecimiento, la degradación y la pérdida de integridad mecánica debido a impactos o fatiga son factores que contribuyen a ello. Esto no solo resulta muy costoso; también puede ser desastroso, como ocurrió, por ejemplo, con la explosión de Deepwater Horizon en el golfo de México en 2010.
Inspirándose en los sistemas biológicos, se están desarrollando nuevos materiales capaces de repararse ante daños que tradicionalmente se considerarían irreversibles. Los polímeros no son los únicos materiales con potencial autorreparable, pero parecen ser muy buenos en ello. En los pocos años transcurridos desde su primer descubrimiento alrededor del cambio de siglo, se han propuesto muchos sistemas de reparación innovadores.
Sigue siendo sumamente difícil llevar estos conceptos a aplicaciones de gran volumen, ya que los polímeros autorreparables requieren un diseño mucho más complejo que las generaciones anteriores de polímeros. Pero esta parece ser la vía definitiva hacia materiales duraderos y tolerantes a fallos, que puedan utilizarse en productos como recubrimientos, dispositivos electrónicos y medios de transporte.
4. Electrónica plástica
La mayoría de los polímeros son aislantes y, por tanto, no conducen la electricidad. Sin embargo, este campo de investigación sobre polímeros cobró impulso en 2000, tras la concesión del Premio Nobel a Alan MacDiarmid, Alan Heeger y Hideki Shirakawa por su trabajo sobre el descubrimiento de que un polímero llamado poliacetileno se volvía conductor cuando se introducían impurezas mediante un proceso conocido como dopaje.
Este mismo proceso no solo hace conductores otros polímeros similares; algunos incluso pueden convertirse en diodos emisores de luz (LED), lo que abre la posibilidad de crear pantallas flexibles para computadoras como la que aparece a continuación.
Este es un campo en el que los polímeros aún afrontan desafíos considerables y una fuerte competencia de los materiales dominantes, como el silicio y los LED orgánicos. Aun así, cuando se buscan alternativas flexibles y económicas a los dispositivos electrónicos existentes, los polímeros tienen mucho que ofrecer, ya que pueden procesarse fácilmente en soluciones e imprimirse en 3D.
Parece que hay una enorme actividad de investigación en este campo: a veces los polímeros desempeñan el papel de componente activo, como en los semiconductores, y otras actúan como vehículo de otras sustancias, como en las tintas conductoras.
5. Polímeros inteligentes y reactivos
Los geles y los cauchos sintéticos pueden ajustar fácilmente su forma en respuesta a estímulos externos, lo que significa que son capaces de responder a cambios en su entorno. El estímulo externo suele ser un cambio de temperatura o de acidez/alcalinidad, pero también puede ser la luz, los ultrasonidos o agentes químicos. Esto resulta sumamente útil para diseñar materiales inteligentes destinados a sensores, dispositivos de administración de fármacos y muchas otras aplicaciones.
La capacidad natural de un polímero para responder a esos estímulos puede ampliarse considerablemente si se diseña con ese propósito. Los mecanóforos, por ejemplo, son unidades moleculares que pueden alterar las propiedades de un polímero cuando se someten a fuerzas mecánicas. Podrían tener numerosas aplicaciones industriales, sobre todo si también se incorporara tecnología autorreparable.
Otras posibilidades para los polímeros inteligentes incluyen recubrimientos para ventanas que las limpien cuando estén sucias, y suturas médicas que desaparezcan cuando haya sanado una lesión.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autora: Valeria Arrighi (VA) es profesora asociada en la Universidad Heriot-Watt, Edimburgo, y directora interina de Química de Materiales.
Imagen: Un científico se cubre la mano con una lámina de plástico. REUTERS.
