Modificando los polímeros del plástico desechado, los químicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han descubierto una manera de crear nuevas macromoléculas con propiedades más valiosas que el material de partida. El reciclaje puede ayudar a abordar los aproximadamente 450 millones de toneladas de plástico que se desperdician anualmente en todo el mundo, de los cuales solo el 9% se recicla. El resto se incinera o acaba en vertederos, océanos o otros lugares.
Una invención de ORNL podría cambiar el destino ambiental de los plásticos al reorganizar los bloques de construcción poliméricos para personalizar las propiedades del plástico. Las subunidades moleculares se combinan para formar cadenas de polímeros que pueden formar plásticos multipropósito a través de sus cadenas principales y moléculas entrecruzadas. La composición de las cadenas de polímero determina qué tan fuerte, duro o resistente al calor será el plástico.
La edición molecular es tan prometedora que ha sido la base de dos premios Nobel de Química. En 2005, el premio fue otorgado a los desarrolladores de la reacción de metátesis, que rompe y forma los dobles enlaces entre los átomos de carbono en anillos y cadenas para que sus subunidades puedan intercambiarse para formar nuevas moléculas, limitadas sólo por la imaginación. Del mismo modo, en 2020, el premio fue otorgado a los desarrolladores de CRISPR, las “tijeras genéticas” que editan las hebras de ADN, los biopolímeros formados por subunidades de nucleótidos que regulan la vida.
“Esto es CRISPR para editar polímeros”, dijo Jeffrey Foster de ORNL, quien dirigió un estudio que Revista de la Sociedad Química Estadounidense. “Sin embargo, en lugar de modificar los bordes de los genes, estamos modificando las cadenas de polímeros. Este no es el típico escenario de reciclaje de plásticos que ‘se derrite y espera lo mejor'”.
Los investigadores de ORNL editaron con precisión los polímeros básicos que contribuyen significativamente a los desechos plásticos. En algunos experimentos, los investigadores trabajaron con polibutadieno blando, que es común en los neumáticos de caucho. En otros experimentos, trabajaron con acrilonitrilo butadieno estireno rígido, juguetes de plástico, teclados de computadora, tuberías de ventilación, cascos protectores, molduras y molduras de vehículos y electrodomésticos de cocina.
“Es un flujo de residuos que en realidad no se recicla en absoluto”, afirmó Foster. “Estamos abordando un componente crítico del flujo de residuos con esta tecnología. Tendrá un enorme impacto al ahorrar masa y energía de los materiales que ahora van a parar a los vertederos”.
Disolver el polímero residual es el primer paso para fabricar aditivos directos para la síntesis de polímeros. Los investigadores cortaron polibutadieno y acrilonitrilo butadieno estireno sintéticos o comerciales y sumergieron el material en un disolvente, diclorometano, para que sufriera una reacción química a baja temperatura (40 grados centígrados) durante menos de dos horas.
Un catalizador de rutenio facilitó la polimerización o la adición de polímeros. Las empresas industriales han utilizado el catalizador para fabricar plásticos resistentes y convertir biomasa, como aceites vegetales, en combustibles y otros compuestos orgánicos de alto valor sin dificultad, lo que aumenta su potencial de uso en el reciclaje químico.
Los componentes moleculares de la estructura polimérica contienen grupos funcionales o grupos de átomos que actúan como sitios reactivos para la modificación. En particular, los dobles enlaces entre carbonos aumentan la probabilidad de que se produzcan reacciones químicas que permitan la polimerización. Un anillo de carbono se abre en un doble enlace para formar una cadena de polímero que crece con cada unidad de polímero activo directamente hacia adentro, protegiendo el material. Los aditivos plásticos también ayudan a controlar el peso molecular del material sintetizado y en consecuencia sus propiedades y rendimiento.
Si esta estrategia de síntesis de materiales puede extenderse a una amplia gama de polímeros de importancia industrial, podría resultar una forma económicamente viable de reutilizar materiales de fabricación que hoy en día sólo se utilizan en productos individuales. Por ejemplo, el material reciclado puede ser más suave y elástico que el polímero original o, quizás, más fácil de moldear y endurecer para convertirlo en productos termoestables duraderos.
Los científicos reciclaron residuos plásticos empleando dos procesos juntos. Ambos son tipos de metátesis, lo que significa un cambio de lugar. Los dobles enlaces entre los átomos de carbono se rompen y se forman, cambiando las subunidades del polímero.
Un proceso, llamado polimerización por metátesis con apertura de anillos, abre los anillos de carbono y los alarga hasta formar cadenas. Otro proceso, llamado metátesis cruzada, implica la inserción de cadenas de subunidades poliméricas de una cadena polimérica en otra.
El reciclaje convencional no logra capturar el valor de los plásticos de desecho porque reutiliza polímeros que se degradan con cada fusión y reutiliza a medida que se degradan. Por el contrario, el innovador reciclaje de ORNL utiliza bloques de construcción existentes para incorporar la masa y las propiedades de los materiales de desecho y proporcionar funcionalidad y valor adicionales.
“El nuevo proceso tiene una economía atómica superior”, dijo Foster. “Eso significa que podemos recuperar prácticamente todo el material que ponemos”.
Los científicos del ORNL demostraron que el proceso, que utiliza menos energía y produce menos emisiones que el reciclaje convencional, integra eficientemente los materiales de desecho sin comprometer la calidad del polímero. Foster, Ilja Popovs y Tomonori Saito concibieron las ideas del artículo. Nicolas Gillan, Isaiah Dishner y Foster sintetizaron subunidades de monómeros y optimizaron su polimerización. Joshua Dameron realizó experimentos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear para analizar la cinética de reacción. Jackie Zeng, Chao Guan y Anisur Rahman caracterizaron las propiedades mecánicas y térmicas del material final.
“La idea es que este concepto pueda extenderse a cualquier polímero que tenga algún grupo funcional principal con el que reaccionar”, dijo Foster. Si se ampliara y ampliara para utilizar otros aditivos, se podría aprovechar una gama más amplia de clases de desechos para obtener componentes básicos moleculares, lo que reduciría drásticamente el impacto ambiental de otros plásticos difíciles de procesar. Una economía circular, en la que los materiales desperdiciados se reciclen en lugar de descartarse, se convierte entonces en un objetivo más realista.
A continuación, los investigadores están interesados en cambiar y reorganizar los tipos de subunidades en la cadena del polímero 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 pueden reformarse ni sus estructuras moleculares se entrecruzan. Esto hace que reciclarlos sea un desafío.
Los investigadores también están interesados en optimizar los disolventes para la estabilidad ambiental durante el procesamiento industrial.
“Se necesita cierto procesamiento previo de estos plásticos de desecho que aún tenemos que resolver”, dijo Foster.
La Oficina de Ciencias del DOE (Programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales) (DL1) y el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio ORNL financiaron esta investigación.
