Los materiales orgánicos están basados en carbono, normalmente combinado con hidrógeno y heteroátomos como oxígeno, nitrógeno, halógenos o azufre o fosforo entre otros. Realmente los seres vivos están basados en materiales orgánicos. En el caso estricto de materiales sintéticos, pueden distinguirse dos tipos básicos: los basados en moléculas discretas o de bajo peso molecular y los basados en macromoléculas o polímeros. Quizás los polímeros son los que se identifican más fácilmente a nivel social y comúnmente se denominan plásticos. En la actualidad, estos materiales están en entredicho por los problemas generados por su extenso y abusivo uso y la pésima gestión de sus residuos durante muchos años. La problemática e incertidumbre que nos generan los microplásticos es una de sus consecuencias. Pese a ello, no podemos renunciar a estos materiales, aunque debemos hacer un uso racional de los mismos.
En lo que respecta a nuevos polímeros los retos se centran, por un lado, en la búsqueda de alternativas renovables y sostenibles a los actualmente basados en fuentes fósiles. Por otro, en nuevos polímeros con funcionalidades cada vez más sofisticadas. Prácticamente en todos los sectores productivos hay iniciativas de investigación o innovación, pero quizás los campos de la salud o de la energía son probablemente los que focalizan una mayor investigación: polímeros para la dosificación controlada de fármacos, para el diagnóstico y control de enfermedades, en ingeniería de tejidos o en el campo de las baterías de polímero o celdas solares flexibles son algunos ejemplos. Además, si algo caracteriza a los polímeros es su fácil procesado donde sigue habiendo retos, como ocurre con la impresión 3D o 4D, así denominada cuando se consigue procesar materiales con unas propiedades programadas para cambiar controladamente con el tiempo como cuarta dimensión, y con aplicaciones, por ejemplo, en robótica blanda. O incluso en la bioimpresión de tejidos y órganos.
Si bien la comercialización de dispositivos basados en materiales orgánicos de bajo peso molecular es menor que en el caso de los polímeros, su interés es enorme y la investigación en este campo muy intensa. La flexibilidad del diseño molecular permite ajustar sus propiedades, y las moléculas pueden interaccionar y organizarse, logrando efectos cooperativos que mejoran la eficiencia de los dispositivos. Un ejemplo precursor son los cristales líquidos: moléculas orgánicas que se ordenan y responden a estímulos, provocando cambios en propiedades físicas del material, como por ejemplo la transmisión de la luz. Esta propiedad fue la base del desarrollo tecnológico de las pantallas planas. Los retos actuales en la investigación sobre materiales orgánicos basados en moléculas discretas se focalizan en el diseño adecuado de su estructura química, dotándola de propiedades ópticas, electrónicas o magnéticas, así como de la capacidad de interactuar con otras moléculas y responder a estímulos como la luz, campos eléctricos o magnéticos, con el objetivo de desarrollar dispositivos para multitud de aplicaciones. Por ejemplo, en la transformación y almacenamiento de energía, se están investigando como una alternativa sostenible a componentes inorgánicos que dependen de reservas minerales críticas.
Otro reto clave en la fabricación de dispositivos es el procesado del material. Aunque la solubilidad de las moléculas pequeñas facilita su manejo, es necesario emplear técnicas avanzadas, especialmente las relacionadas con la nanotecnología, para manipularlas y organizarlas. Así, procesos como auto-ensamblaje, deposición controlada en superficies o formulación de tintas para impresión 3D, entre otros, permiten desarrollar aplicaciones innovadoras con materiales moleculares, como baterías, supercondensadores, celdas solares o dispositivos en tecnologías de la información y comunicación. Estos materiales también están encontrando un lugar clave en áreas emergentes como la computación cuántica y la nano-robótica. Además, es especialmente relevante mencionar las posibilidades de miniaturización que ofrecen, permitiendo el diseño de dispositivos que podrían reducirse hasta la escala molecular.
Materiales orgánicos y sostenibilidad
La sostenibilidad es transversal en todo lo que concierne al diseño, síntesis y desarrollo de un material. Pero es que además genera nuevas oportunidades tanto de investigación como económicas. El desarrollo de compuestos orgánicos derivados de biorrefinerías o la aplicación de la biotecnología a la síntesis química son ejemplos para evitar la dependencia de fuentes fósiles. También lo es la búsqueda de materiales, preferentemente polímeros, con una degradabilidad programada para evitar los problemas derivados de su erosión hasta el nivel de los llamados micro o nanoplásticos.
El criterio de sostenibilidad se extiende hasta el final de la vida útil del material. Se ha avanzado mucho en el reciclado de plásticos, pero todavía quedan muchas cosas por hacer. El reciclado mecánico que actualmente se realiza en polímeros es una buena solución, pero tiene un límite en cuanto al material: no se puede reciclar ilimitadamente porque en cada procesado térmico el polímero pierde propiedades. Una alternativa sería el reciclado químico para volver a obtener el monómero, que es el compuesto inicial a partir del cual se hace el polímero. De esta manera se podría volver a sintetizar el mismo polímero inicial. O incluso es posible usar los residuos plásticos como fuente de compuestos químicos de base para la industria química o de más alto valor añadido. Hay muchas iniciativas ya implementadas o en fase de investigación. Además, estas alternativas se combinan con la preparación de materiales biobasados o biodegradables que, en definitiva, estén más en sintonía con modelos de economía circular.
Retos en la síntesis química de nuevo materiales orgánicos
Obviamente, si nos restringimos estrictamente a la síntesis química, esta no escapa de los mismos criterios de sostenibilidad y eficiencia que se reclama al material en su conjunto. Métodos sintéticos en ausencia de disolvente, como la mecanoquímica, se van a imponer a los basados en disolvente orgánico siempre que sea posible. La extrusión reactiva es un ejemplo en el caso de los polímeros. En cualquier caso, es imperativa la implementación de procesos químicos con bajo impacto ambiental, como por ejemplo el uso de disolventes no convencionales como líquidos iónicos o CO2 supercrítico, o metodologías fotoquímicas, que pueden sustituir a metodologías térmicas usadas actualmente. En definitiva, se trata de trasladar la ya extensa investigación en la química verde y la síntesis orgánica más sostenible al campo de los materiales. Por supuesto, el uso e investigación en catalizadores, de diferente tipo, seguirá siendo una prioridad.
También hay que avanzar en el desarrollo de metodologías y materiales bio-inspirados cada vez más sofisticados. En los seres vivos encontramos ejemplos de ensamblados moleculares capaces de auto-replicarse o auto-repararse, basados en materia blanda orgánica, y que han sido perfeccionados durante el proceso evolutivo para cumplir eficientemente su función. Actualmente, sirven de inspiración para nuevos materiales sintéticos biomiméticos cada vez más revolucionarios.
Obviamente la experiencia ya es mucha. Eso supone también una gran cantidad de datos en relación estructura-propiedades de materiales que debe ser la base del desarrollo futuro de materiales avanzados obtenidos por síntesis más eficientes y selectivas. Y en esto la inteligencia artificial va a suponer una revolución. Las herramientas de aprendizaje automático tienen mucho que aportar tanto para el diseño de materiales como en la propia estrategia sintética. Avanzaremos más rápidamente en el descubrimiento de moléculas y macromoléculas nuevas con propiedades cada vez más sofisticadas, con síntesis más racionales y un conocimiento profundo de los mecanismos e intermedios implicados. Es fundamental la sinergia entre investigaciones teóricas y experimentales, así como el trabajo multidisciplinar para progresar con éxito en el desarrollo de materiales orgánicos que aporten respuesta a los desafíos planteados en los objetivos de desarrollo sostenible.
Teresa Sierra Travieso
Doctora en Ciencias Químicas
Luis Oriol Langa
Doctor en Ciencias Químicas
Fuente de TenemosNoticias.com: www.muyinteresante.com
Publicado el: 2025-06-24 03:00:00
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