La metamorfosis del plástico: estructura, forma y función

Los plásticos no dejan de sorprendernos con la aparición de productos cada vez más sofisticados y de vanguardia. Gracias a sus propiedades, fácil procesamiento, versatilidad y gran capacidad de combinación con otros materiales, los plásticos son, hoy en día, los materiales de mayor demanda comercial a nivel mundial.

En la vida cotidiana, cuando nos referimos a los plásticos, inmediatamente los relacionamos con productos de escaso valor, empleados principalmente para el empaque de alimentos, bebidas, medicamentos y productos de higiene personal. Lo que pocos sabemos es que los plásticos son esenciales en una gran diversidad de aplicaciones avanzadas, lo cual nos hace pensar en su revalorización.

Los plásticos han sido desde hace décadas, motivo de estudio y de investigación, lo que ha dado lugar a grandes avances en cuanto al desarrollo de estos materiales. Ahora se realiza un gran trabajo en mejorar sus propiedades físicas y químicas para aumentar su desempeño y, así, adaptarlos a las necesidades requeridas por altas tecnologías en temas de salud, energía, corrosión, textiles, biosensores y electrónica…, por mencionar algunos ^[1].

Los plásticos se encuentran conformados por estructuras químicas conocidas como polímeros. En años recientes, al incorporarles moléculas activas o partículas con determinadas propiedades, como son las altas conductividades eléctrica y térmica, se ha logrado un importante progreso en lo que se refiere al desarrollo de polímeros de alto desempeño. Bajo este contexto ha surgido una nueva categoría: “los polímeros inteligentes”, que pueden realizar, por sí mismos, tareas específicas y de gran precisión.

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Los polímeros inteligentes se caracterizan por presentar una alteración física perceptible al someterlos a estímulos externos y se manifiesta por un cambio de forma, tamaño, color o textura. Dentro de este nuevo concepto de materiales se encuentran los “polímeros con memoria de forma” (PMFs), los cuales son polímeros que experimentan cambios en su forma o dimensión ante cierto estímulo ^[2]; la recuperación de la forma se puede conseguir mediante variados estímulos como son temperatura, luz, pH, campos magnéticos y eléctricos ^[3,4].

El proceso consiste en someter al PMF a una deformación mecánica temporal ^[5], la cual permanece estable hasta aplicar un estímulo que haga que el material regrese a su estado original, recobrando así su forma permanente ^[6]. El proceso de deformación y recuperación puede repetirse en numerosas ocasiones sin comprometer las propiedades del material. La capacidad de respuesta que presenta un PMF va a depender de sus propiedades térmicas ^[7]; éstas determinan qué tan flexible es o con qué capacidad de movimiento cuenta ^[8].

Ventajas de los PMFs

Los PMFs ofrecen grandes ventajas, como ser ligeros, de bajo costo, de versátil diseño, de fácil aplicación, resistentes a la corrosión, de buena capacidad de adhesión, a la vez que no desprenden sustancias tóxicas. Se espera que en un futuro próximo los polímeros con memoria de forma puedan ser aprovechados para crear productos de múltiples niveles de funcionalidad. Por ejemplo, fibras que simulen el funcionamiento de tendones y se contraigan por estímulo térmico o eléctrico; suturas que se adapten a la forma de las heridas al entrar en contacto con la piel, así como materiales plegados que deben ocupar un espacio dentro del organismo de un paciente y se introduzcan a través de reducidas incisiones ^[9].

Además, podrían ser de gran ayuda en sistemas de precisión para tratar obstrucciones de arterias y válvulas (cateterismo) ^[10,11]. Mientras que en el ramo de la ingeniería se pueden diseñar compuertas a base de PMFs que se activen con una fuente luminosa o bien con un cambio de temperatura (Figura 1). Esto podría ser útil para liberar el calor acumulado en dispositivos que requieren control térmico pero que se encuentran en zonas de difícil acceso.

Descubrimientos en México

Hace poco más de un lustro, investigadores del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) se dieron a la tarea de desarrollar PMFs a base de resinas epóxicas con potencial aplicación en restauración dental ^[12]. De igual forma se diseñaron y prepararon PMFs reforzados con partículas nanométricas que presentan buenas propiedades mecánicas como alta resistencia a la tensión y al impacto ^[13], lo anterior, sin comprometer su capacidad de recuperación de forma.

Otro trabajo de sumo interés es el realizado por el Departamento de Materiales Avanzados del mismo Centro, en donde se crearon PMFs elásticos que se deforman y recuperan su forma original al exponerlos a una fuente de calor o bien a una fuente de luz ^[14].

Los PMFs de este tipo pueden ser útiles para el diseño de músculos artificiales. De este modo, el CIQA genera conocimiento que integra fenómenos químicos y físicos complejos para el desarrollo de productos poliméricos o plásticos de avanzada tecnología que son cada vez más requeridos por el mundo moderno.

Bibliografía

1. Shape-Memory Polymers: Fundamentals, Advances and Applications Jinlian Hu. Smithers Rapra Technology Ltd Shawbury, Shrewsbury, Shropshire, SY4 4NR. 2014. ISBN: 978-1-90903-032-9.
2. Shape-Memory Polymers. Andreas Lendlein, Steffen Kelch. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034-2057.
3. A Mini-Review of Shape-Memory Polymer-Based Materials. Mathew J. Haskew, John G. Hardy. Johnson Matthey Technol. Rev., 2020, 64, (4), 425–442.
4. Determination of polymer–nanoparticles interfacial adhesion and its role in shape memory behavior of shape memory polymer nanocomposites. Yasser Zare. International Journal of Adhesion Adhesives 2014, 54, 67–71.
5. Polímeros con memoria de forma: Un nuevo horizonte para los elastómeros. M.A. Malmierca, I. Mora-Barrantes, P. Posadas, A. González-Jiménez, A. Marcos-Fernández, A. Rodríguez, L. Ibarra, J.L. Valentín. Revista de Plásticos Modernos. Septiembre 2012, Vol. 104, Número 671.
6. Shape memory polymers: Past, present, and future developments. Martin D. Hager, Stefan Bode, Christine Weber, Ulrich S. Schubert. Progress in Polymer Science 2015, 49–50, 3–33.
7. Molecular design, synthesis, and biomedical applications of stimuli-responsive shape memory hydrogels. Ruixue Liang, Li Wang, Haojie Yu, Amin Khan, Bilal Ul Amin, Rizwan Ullah Khan. European Polymer Journal 2019, 114, 380–396.
8. Shape memory polymers. Marc Behl and Andreas Lendlein. Materials Today. April 2007, 10, 4.
9. Shape-Memory Polymers for Biomedical Applications. Jasper Delaey, Peter Dubruel, Sandra Van Vlierberghe. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909047.
10. https://inma.unizar-csic.es/divulgacion/temas/biomateriales-memoria-forma.
11. https://www.infosalus.com/salud-investigacion/noticia-desarrollan-nuevo-material-memoria-aplicaciones-medicina-20190605073438.html.
12. Preparation and Study of Shape Memory in Epoxy Resins Maria Lydia Berlanga Duarte, Fernando Aranda Guevara, Luis A. Reyna Medina. Macromol. Symp. 2017, 374, 1600132.
13. Enhanced mechanical performance of a DGEBA epoxy resin-based shape memory polymer by introducing graphene oxide via covalent linking. Gabriela Yolotzin Romero-Zúñiga, Dámaso Navarro-Rodríguez, María Esther Treviño-Martínez. Appl Polym. Sci. 2022; 139: e51467.
14. Photo-actuation Marco Effect of gold and graphene oxide nanoparticles on the thermo- and photo-actuation of monodomain liquid crystal elastomers. Marco A. De Jesús-Téllez, Isaura Felix-Serrano, Rosa Julia Rodríguez-González, Dámaso Navarro-Rodríguez, Leticia Larios-López. Polymer 2020, 205, 122837.

Autor: Diana Iris Medellín Banda y Dámaso Navarro Rodríguez, investigadores en el Departamento de Materiales Avanzados del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA).