Yuwei Gu estaba caminando por el Parque Estatal Bear Mountain de Nueva York cuando una vista inesperada llamó su atención. Había botellas de plástico esparcidas a lo largo del sendero y más fluían a través de un lago cercano. Ver desechos plásticos en un entorno tan natural detuvo al químico de Rutgers y su mente se aceleró.
Gu empezó a pensar en los polímeros, las moléculas de cadena larga que forman tanto los materiales naturales como los plásticos modernos. El ADN y el ARN son polímeros, y las proteínas y la celulosa. La diferencia es que los polímeros naturales acaban descomponiéndose, mientras que los plásticos sintéticos suelen permanecer en el medio ambiente durante décadas o más.
“La biología utiliza polímeros en todas partes, como proteínas, ADN, ARN y celulosa, pero la naturaleza nunca enfrenta el tipo de problemas de almacenamiento a largo plazo que tienen los plásticos sintéticos”, dijo Gu, profesor asistente en el Departamento de Química y Biología Química de la Escuela de Artes y Ciencias de Rutgers.
Parado allí en el bosque, la razón de repente se le hizo clara.
“La diferencia tiene que estar en la química”, dijo.
Copiar la estrategia de salida inherente a la naturaleza
Gu se dio cuenta de que si los polímeros naturales podían realizar su función y luego desaparecer, los plásticos artificiales podrían hacer lo mismo. Ya sabía que los polímeros biológicos tienen pequeñas propiedades químicas incorporadas que ayudan a que sus enlaces se rompan en el momento justo.
“Pensé, ¿y si copiamos esa técnica estructural?” “¿Podemos tratar los plásticos fabricados por el hombre de la misma manera?” él dice.
Esa pregunta condujo a un gran avance. En un estudio publicado por el Dr. La naturaleza es química.Gu y sus colegas de Rutgers han demostrado que el uso de este método inspirado en la naturaleza permite que los plásticos se descompongan en las condiciones cotidianas, sin necesidad de altas temperaturas ni productos químicos agresivos.
“Queríamos abordar uno de los mayores desafíos de los plásticos modernos”, dijo Gu. “Nuestro objetivo era encontrar una nueva técnica química que permitiera que los plásticos se degradaran de forma natural en las condiciones cotidianas sin necesidad de un tratamiento especial”.
¿Cómo funcionan los polímeros y los enlaces químicos?
Los polímeros están formados por muchas unidades repetidas unidas entre sí, como cuentas en un hilo. Los plásticos como el ADN, el ARN y las proteínas también entran en esta categoría. El ADN y el ARN están formados por cadenas de pequeñas unidades llamadas nucleótidos, mientras que las proteínas están formadas por aminoácidos.
Lo que mantiene unidas estas unidades son los enlaces químicos, que actúan como pegamento a nivel molecular. En los polímeros, estos enlaces conectan un bloque de construcción con otro. Los enlaces fuertes dan a los plásticos su durabilidad, pero también los hacen más difíciles de romper una vez desechados. La investigación de Gu se centra en diseñar enlaces que sean fuertes durante el uso pero fáciles de romper cuando se degradan.
Plástico programable con puntos débiles incorporados.
Esta investigación hace más que hacer que los plásticos sean biodegradables. Esto hace que su avería sea programable.
La invención clave implica organizar cuidadosamente partes de la estructura química del plástico para que se asienten en la posición correcta para comenzar a desintegrarse cuando se active. Gu compara el concepto con doblar una hoja de papel para que se rasgue fácilmente por un pliegue. Al “plegar previamente” eficazmente la estructura a nivel molecular, el plástico puede descomponerse miles de veces más rápido de lo normal.
A pesar de esta debilidad inherente, la composición química general de los plásticos permanece sin cambios. Esto significa que sigue siendo potente y útil hasta que se activa la degradación.
“Lo más importante es que descubrimos que la disposición espacial exacta de estos grupos vecinos cambia drásticamente la rapidez con la que se degrada el polímero”, dijo Gu. “Al controlar su orientación y ubicación, podemos diseñar el mismo plástico para que se descomponga en días, meses o incluso años”.
Adaptar la vida útil de los plásticos al uso en el mundo real
Este nivel de control permite diseñar plásticos con una vida útil que se adapte a su propósito. Los envases de alimentos sólo pueden durar un día, mientras que los componentes de los automóviles deben conservarse durante muchos años. Los investigadores han demostrado que la degradación se puede activar desde el principio o más tarde mediante luz ultravioleta o iones metálicos.
Las aplicaciones potenciales van más allá de la reducción de la contaminación plástica. Gu dijo que la misma química podría crear cápsulas o recubrimientos de administración programada de medicamentos que podrían eliminarse automáticamente después de un cierto período de tiempo.
“Esta investigación no sólo abre la puerta a los plásticos ambientalmente responsables, sino que también amplía la caja de herramientas para diseñar materiales basados en polímeros inteligentes y receptivos en muchas áreas”, dijo.
Controles de seguridad y el camino por delante
Para Gu, la visión a largo plazo es sencilla. El plástico hará su trabajo y luego desaparecerá.
“Nuestra técnica proporciona una forma práctica, basada en la química, de rediseñar estos materiales para que sigan funcionando bien durante el uso pero se degraden naturalmente después”, dijo.
Las pruebas preliminares de laboratorio indican que el líquido producido cuando el plástico se descompone no es tóxico, aunque Gu enfatizó que se necesitan más pruebas para garantizar la seguridad a largo plazo.
Mirando hacia atrás, Gu dijo que le sorprendió que una idea que surgió durante una caminata tranquila realmente funcionara.
“Era una idea simple, copiar la estructura de la naturaleza para lograr el mismo objetivo”, dijo. “Pero fue increíble tener éxito”.
Extensión de la investigación
Gu y su equipo ahora están llevando la investigación aún más lejos. Están examinando de cerca si los pequeños fragmentos que quedan tras la descomposición del plástico suponen algún riesgo para los organismos vivos o los ecosistemas, garantizando la seguridad durante todo el ciclo de vida del material.
También están explorando cómo se pueden aplicar sus métodos químicos a los plásticos convencionales e integrarlos en los procesos de fabricación existentes. Al mismo tiempo, están probando si el método puede usarse para crear cápsulas que liberen fármacos en momentos cuidadosamente controlados.
Aunque persisten desafíos técnicos, Gu cree que el desarrollo continuo en colaboración con fabricantes de plástico centrados en la sostenibilidad puede llevar esta química a los productos cotidianos.
Otros científicos de Rutgers que contribuyeron a la investigación incluyen: Shaozhen Yin, estudiante de doctorado en el laboratorio de Gu y primer autor del artículo; Lu Wang, profesor asociado del Departamento de Química y Biología Química; Rui Zhang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Wang; N. Sanjeev Murthy, profesor asociado de investigación en el Laboratorio de Investigación de Biomateriales; y Ruihao Zhou, un ex estudiante de posgrado visitante.
