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Mediante la edición de los polímeros de los plásticos desechados, los químicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del departamento de Energía han encontrado una forma de generar nuevas macromoléculas con propiedades más valiosas que las del material de partida.
El upcycling puede ayudar a remediar los cerca de 450 millones de toneladas de plástico que se desechan anualmente en todo el mundo, de las cuales sólo se recicla el 9%; el resto se incinera o acaba en vertederos, océanos u otros lugares.
El invento del ORNL puede cambiar el destino medioambiental del plástico reordenando los bloques de construcción poliméricos para personalizar sus propiedades. Las subunidades moleculares se enlazan para producir cadenas poliméricas que pueden conectarse a través de sus columnas vertebrales y moléculas reticuladas para formar plásticos polivalentes.La composición de las cadenas poliméricas determina lo fuertes, rígidos o resistentes al calor que serán esos plásticos.
La edición molecular es tan prometedora que ha sido la base de dos Premios Nobel de Química. En 2005, el premio recayó en los creadores de la reacción de metátesis, que rompe y crea dobles enlaces entre átomos de carbono en anillos y cadenas, de modo que sus subunidades pueden intercambiarse para crear nuevas moléculas limitadas únicamente por la imaginación.
Del mismo modo, en 2020, el premio fue para los creadores de CRISPR, unas ´tijeras genéticas´ para editar cadenas de ADN, biopolímeros formados por subunidades de nucleótidos que llevan el código de la vida.
"Se trata de CRISPR para editar polímeros", explica Jeffrey Foster, del ORNL, que dirigió un estudio publicado en Journal of the American Chemical Society. "Sin embargo, en lugar de editar cadenas de genes, estamos editando cadenas de polímeros. No se trata del típico escenario de reciclaje de plásticos ´fundir y esperar lo mejor´".
Los investigadores del ORNL editaron con precisión polímeros básicos que contribuyen significativamente a los residuos plásticos. En algunos experimentos, los investigadores trabajaron con polibutadieno blando, común en los neumáticos de caucho. En otros, trabajaron con acrilonitrilo butadieno estireno, el material de los juguetes de plástico, los teclados de ordenador, los tubos de ventilación, los cascos protectores, las molduras de los vehículos y los electrodomésticos de cocina.
"Se trata de un flujo de residuos que no se recicla en absoluto", explica Foster. "Estamos abordando un componente significativo del flujo de residuos con esta tecnología. Tendría un impacto bastante grande sólo por la conservación de la masa y la energía de los materiales que ahora van a parar a los vertederos."
La disolución de los polímeros de desecho es el primer paso para crear aditivos para la síntesis de polímeros. Los investigadores trituraron polibutadieno sintético o comercial y acrilonitrilo butadieno estireno y sumergieron el material en un disolvente, diclorometano, para llevar a cabo una reacción química a baja temperatura (40 grados Celsius) durante menos de dos horas.
Un catalizador de rutenio facilitó la polimerización, o adición de polímeros. Las empresas industriales han utilizado este catalizador para fabricar plásticos robustos y convertir sin dificultad biomasa como aceites vegetales en combustibles y otros compuestos orgánicos de alto valor, lo que pone de manifiesto su potencial para el reciclado químico.
Los bloques moleculares de la columna vertebral del polímero contienen grupos funcionales o grupos de átomos que sirven como sitios reactivos para la modificación. En particular, los dobles enlaces entre carbonos aumentan las posibilidades de reacciones químicas que permiten la polimerización.
Un anillo de carbono se abre en un doble enlace para crear una cadena polimérica que crece a medida que se desliza directamente cada unidad funcional de polímero, conservando el material. El aditivo plástico también ayuda a controlar el peso molecular del material sintetizado y, a su vez, sus propiedades y rendimiento.
Si esta estrategia de síntesis de materiales pudiera extenderse a una gama más amplia de polímeros de importancia industrial, podría resultar una vía económicamente viable para reutilizar materiales de fabricación que hoy sólo pueden emplearse en un único producto. Los materiales reciclados podrían ser, por ejemplo, más blandos y elásticos que los polímeros originales o, tal vez, más fáciles de moldear y endurecer para convertirlos en productos termoestables duraderos.
Los científicos reciclaron los residuos plásticos empleando dos procesos en tándem. Ambos son tipos de metátesis, que significa cambio de lugar. Los dobles enlaces se rompen y se forman entre los átomos de carbono, lo que permite intercambiar las subunidades del polímero.
Un proceso, llamado polimerización por metátesis de apertura de anillo, abre los anillos de carbono y los alarga en cadenas. El otro proceso, llamado metátesis cruzada, inserta cadenas de subunidades poliméricas de una cadena polimérica en otra.
El reciclado tradicional no consigue captar el valor de los plásticos desechados porque reutiliza polímeros que pierden valor por degradación con cada fusión y reutilización. En cambio, el innovador upcycling del ORNL utiliza los bloques de construcción existentes para incorporar la masa y las características del material de desecho y aportar funcionalidad y valor añadidos.
"El nuevo proceso tiene una gran economía atómica", afirma Foster. "Eso significa que podemos recuperar prácticamente todo el material que introducimos".
Los científicos del ORNL demostraron que el proceso, que consume menos energía y produce menos emisiones que el reciclado tradicional, integra eficazmente los materiales de desecho sin comprometer la calidad del polímero. Foster, Ilja Popovs y Tomonori Saito conceptualizaron las ideas del trabajo. Nicholas Galan, Isaiah Dishner y Foster sintetizaron subunidades monoméricas y optimizaron su polimerización. Joshua Damron realizó experimentos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear para analizar la cinética de la reacción. Jackie Zheng, Chao Guan y Anisur Rahman caracterizaron las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales finales.
"La idea es que este concepto pueda extenderse a cualquier polímero que tenga algún tipo de grupo funcional en la columna vertebral con el que reaccionar", explica Foster. Si se amplía y se extiende para emplear otros aditivos, podrían extraerse bloques moleculares de residuos de clases más amplias, lo que reduciría drásticamente el impacto ambiental de otros plásticos difíciles de procesar. La economía circular, en la que los materiales de desecho se reutilizan en lugar de desecharse, se convierte entonces en un objetivo más realista.
A continuación, los investigadores están interesados en cambiar los tipos de subunidades de la cadena polimérica y reorganizarlas para ver si pueden crear materiales termoestables de alto rendimiento. Algunos ejemplos son las resinas epoxi, el caucho vulcanizado, el poliuretano y la silicona. Una vez curados, los materiales termoestables no se pueden volver a fundir o moldear porque su estructura molecular está reticulada. Esto dificulta su reciclado.
Los investigadores también están interesados en optimizar los disolventes para garantizar la sostenibilidad medioambiental durante el procesamiento industrial.
"Estos residuos plásticos van a requerir un tratamiento previo que aún tenemos que averiguar", afirma Foster.
