La futura taza de café, hecha con hojas de maíz y cangrejos

La próxima vez que abras un yogur, retires el film transparente de un recipiente de comida preparada o deseches una taza de café desechable, tómate un momento para pensar dónde terminará ese artículo. En la mayoría de los casos, la respuesta honesta es: seguirá aquí, de una forma u otra, mucho después de que todas las personas que lean esta oración se hayan ido.

Durante la mayor parte de la historia de la química sintética, el objetivo ha sido la durabilidad: crear materiales que nunca se corroan, degraden ni cambien. De ahí la “eternidad” de nuestro café para llevar. Sin embargo, los materiales biodegradables avanzados invierten completamente esa lógica, haciendo que la posibilidad de pura desaparición sea una característica de diseño en lugar de un defecto del material.

La naturaleza resolvió esto hace miles de millones de años, asegurando que cada molécula orgánica eventualmente se recicle nuevamente en el ecosistema. Con el apoyo de la ciencia automatizada para acelerar su formulación y descubrir las mezclas sostenibles perfectas, materiales humildes como el maíz, las cáscaras de cangrejo y la pulpa de madera se convertirán en los materiales autodegradantes más importantes del próximo siglo.

Soluciones para un problema global

Los plásticos convencionales, como el polipropileno, el PET y el poliestireno, son materiales increíblemente duraderos. Es esta durabilidad lo que los hace útiles y, al mismo tiempo, lo que los convierte en un problema global.

Producimos alrededor de 400 millones de toneladas de plástico cada año, y la mayor parte estará aquí dentro de siglos. Este es probablemente el principal problema de los plásticos: su excepcional durabilidad también es la causa de importantes impactos negativos en el medio ambiente y los organismos vivos, ya que el 100% de los residuos plásticos producidos no se reciclan.

Como resultado, gradualmente se descomponen en partículas cada vez más pequeñas, creando lo que conocemos como microplásticos. Por tanto, es necesario repensar el uso de los plásticos en un marco de economía circular plenamente integrado.

Materiales hechos para desaparecer

Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos diseñar materiales con todas las propiedades útiles de los plásticos, como la capacidad de moldearse, recubrirse, formar películas o llenarse con compuestos activos, pero diseñados para desaparecer de forma segura cuando dejemos de usarlos?

Ésta es la promesa central de los materiales sostenibles y biodegradables, uno de los temas clave presentados en el Informe de revisión de evidencia de SAPEA sobre materiales avanzados.

En teoría, “biodegradable” significa que los organismos vivos, principalmente bacterias y hongos, pueden descomponer el material en sustancias más simples como agua, dióxido de carbono y biomasa. En la práctica, rara vez es tan sencillo.

El principal obstáculo es que “biodegradable” no significa automáticamente “compostable”. Muchos bioplásticos avanzados no se descomponen en un compostador doméstico, ya que requieren el calor intenso y la humedad controlada de las instalaciones industriales; mientras que otros se descomponen bien en suelo abierto o en agua. Navegar por estas diferencias convierte la gestión de productos al final de su vida útil en un complejo rompecabezas químico.

maíz y cangrejos

Para abordar esto, los científicos están explorando una vasta y creciente biblioteca de polímeros biodegradables y de base biológica. Estos materiales van desde proteínas y polisacáridos naturales hasta biopolímeros producidos sintéticamente a partir de materias primas agrícolas renovables. La diversidad estructural y química de esta biblioteca es enorme y ofrece un número casi infinito de formas de diseñar nuevas propiedades de materiales. Sin embargo, navegar por este vasto espacio para encontrar las combinaciones adecuadas es una tarea monumental.

Consideremos tres ejemplos comunes: poli(ácido láctico) (PLA), fermentado a partir de azúcares vegetales como el maíz; celulosa, obtenida de pulpa de madera; y quitosano, extraído de los caparazones de crustáceos como los cangrejos.

Imita la transparencia y robustez del plástico

Cada uno de estos componentes ofrece ventajas estructurales únicas y complementarias. El PLA imita la transparencia, rigidez y poder de procesamiento de los envases convencionales a base de petróleo. La celulosa proporciona un refuerzo mecánico robusto y ligero, actuando como una fuerte estructura de soporte. Mientras tanto, el quitosano proporciona barreras antimicrobianas naturales y cargas superficiales únicas que interactúan dinámicamente con el medio ambiente.

Aunque estas materias primas son totalmente renovables y altamente adaptables por derecho propio, combinarlas en compuestos funcionales y sostenibles históricamente ha requerido un laborioso proceso de prueba y error manual. Debido a que estos biopolímeros se pueden combinar en miles de variaciones químicas diferentes, cada una de las cuales requiere proporciones precisas de polímeros, plastificantes y nanorellenos, encontrar la receta perfecta para la sostenibilidad ha sido un importante obstáculo en la investigación.

La ciencia de polímeros tradicional se basa en pruebas lentas y manuales por lotes, lo que introduce variabilidad humana, limita la cantidad de datos recopilados y limita nuestra comprensión del envejecimiento de estos materiales.

Aquí es exactamente donde la automatización de laboratorios de alto rendimiento supone un cambio de paradigma.

uso de robots

Un brazo robótico dispensa bolitas de polímero desde un carrusel de materiales múltiples. Lucía Echevarría Pastrana/IMDEA Materiales, CC BI

En lugar de que un científico mezcle y pruebe manualmente una sola receta durante días, los flujos de trabajo robóticos pueden formular, combinar y evaluar simultáneamente cientos de composiciones diferentes de materiales.

Estos sistemas automatizados registran cómo reaccionan estas formulaciones variables a la humedad, la temperatura y el estrés mecánico en tiempo real. Esta aceleración robótica permite formular, evaluar y mapear rápidamente las vías mecánicas precisas por las cuales los plásticos compuestos se degradan.

Al mapear sistemáticamente estos vastos conjuntos de datos limpios, la automatización elimina la variabilidad humana y reduce la brecha entre los descubrimientos académicos a nivel de laboratorio y el riguroso control de calidad requerido para la producción industrial.

Esto nos permite evitar décadas de prueba y error y localizar rápidamente las composiciones bioplásticas optimizadas exactas que ofrecen la máxima durabilidad durante la vida útil del producto, pero conservan una arquitectura molecular vulnerable que desencadena una degradación rápida y confiable una vez que ingresan al medio ambiente.

La taza de café del futuro ya no será eterna.