‘Polímeros’

Los polipirroles

Por Rafael Ruiz Iglesias, alumno de primer curso del Grado en Ingeniería de Materiales, UPM

Tres científicos fueron galardonados con el premio nobel de química en el año 2000 por descubrir y llevar a cabo el desarrollo de polímeros conductores.

Los polímeros electrónicamente conductores son estructuras orgánicas cuya cadena carbonada consiste en enlaces alternados sencillos, dobles o triples. En los polímeros tradicionales como el polietileno, los electrones de valencia se localizan en enlaces covalentes correspondientes a orbitales híbridos sp3. Tales electrones tienen baja movilidad y no contribuyene a la conductividad eléctrica del material. Típicamente, los átomos de carbono en polímeros conductores tienen enlaces covalentes a través de electrones en orbitales híbridos sp2 y adicionalmente un electrón de valencia en un orbital pz: todos los electrones en orbitales pz se combinan para dar lugar a un conjunto de orbitales deslocalizados a lo largo de la molécula. Uno de los polímeros conductores más importantes es el polipirrol, y el mecanismo de conducción eléctrica se explica en este caso por la presencia de átomos donores o aceptores de electrones, como se explica más abajo .

La obtención del polipirrol se lleva a cabo mediante la pirolisis del tri- o tetra-yodopirrol (el pirrol es un compuesto orgánico aromático constituido por un anillo de cinco átomos, cuya fórmula química es C4H5N). En presencia de solución acida y en ausencia de oxidantes el pirrol polimeriza por adición, obteniendo así una mezcla de varios productos de reacción, que se obtiene como un precipitado negro insoluble. Al obtener este polvo negro con diferentes oxidantes se observó que su composición dependía enormemente de las condiciones de reacción. La temperatura es un factor que influye en los niveles de conductividad eléctrica del polipirrol, empeorándolos al aumentar la temperatura. Por otro lado, los mayores niveles de conductividad eléctrica se obtienen con un tiempo de reacción de  20-30 minutos.

(A) Molécula de pirrol. (B) Polipirrol. Fuente: Wikipedia Commons (adaptado).

Al incorporar sustancias donoras o aceptoras  de electrones en el polipirrol aumenta su  conductividad eléctrica σ unas 1010-20veces. Este aumento en σ se debe a que en estos polímeros existe una alternancia de simples y dobles enlaces. La estructura de bandas de estos materiales es similar a la de los aislantes y semiconductores: su banda de valencia está completa, su banda de conducción se halla vacía quedando las dos bandas separadas entre sí por cierto intervalo energético (1.5-3 eV). Con el fin de alterar esta estructura se emplea el dopado, tomando electrones de la banda de valencia (dopado positivo) o cediendo electrones a la banda de conducción (dopado negativo). Como resultado, el polímero se convierte en conductor porque la banda de valencia o la banda de conducción quedan llenas parcialmente. Dependiendo del reactivo empleado para dicho proceso se obtendrá una conductividad que va de 2 a 100 S/cm (Los valores más altos corresponden a los  aniones más grandes, como por ejemplo el tosilato).

Hoy en día este material se emplea para diversas aplicaciones tecnológicas como microelectrónica, óptica, blindajes electromagnéticos o iónicos, conductores electrónicos, películas calefactoras o emisores de luz. Centrándonos en sus propiedades electroquímicas, podemos encontrar finalidades muy curiosas como por ejemplo la obtención de músculos artificiales. Un músculo puede ser considerado como un dispositivo electroquimiomecánico: el cerebro emite un pulso eléctrico a través del sistema nervioso desencadenando reacciones químicas y provocando un cambio en una longitud, obteniendo como resultado un movimiento macroscópico. Procesos similares son descritos con los polipirroles. En el laboratorio del Profesor Toribio Fernández Otero, en la Universidad del País Vasco, fue desarrollado un sistema de dos capas (polímero conductor/polímero no conductor, adherente y flexible) para transformar los movimientos moleculares microscópicos en movimientos macroscópicos.

El músculo artificial, al estar basado en procesos electroquímicos reversibles, tiene un comportamiento reversible. Todos los parámetros que actúan sobre los procesos de oxidación reducción influyen en la velocidad de movimiento. Han sido desarrollados músculos capaces de levantar 1000 veces su propio peso. Como en un músculo natural un pulso eléctrico desencadena reacciones químicas que originan un cambio de volumen y un trabajo mecánico. Ambos procesos ocurren en medio acuoso con flujos de iones a través de membranas.

Ejemplos de microestructuras obtenidas con polipirroles (micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica). Barras de tamaño: 10 μm. Adaptado de las referencias 4 y 5.

Referencias y enlaces

1. http://www.ehu.eus/reviberpol/pdf/DIC03/Toribio1.pdf

2. http://eprints.ucm.es/2024/1/X0000701.pdf

3. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/564/1/pfc2657.pdf

4. http://www.uac.edu.co/images/stories/publicaciones/revistas_cientificas/prospectiva/volumen-6-no-1/5-sintesis-caracter-v6-1.pdf

5. http://jaibana.udea.edu.co/grupos/revista/revistas/nro054/Articulo%206.pdf

 

 

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Procesado de materiales en ausencia de gravedad

En posts anteriores hemos hablado de las posibilidades de estudio y modificación de la microestructura de los materiales para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, en el caso de materiales poliméricos, formados por largas cadenas moleculares, puede ser interesante y útil obtener un alineamiento de las cadenas en una dirección preferente.

Hoy queríamos proponer el siguiente vídeo motivador e ilustrativo de estas ideas, y de los experimentos en la estación espacial internacional para obtener diferentes microestructuras sin la influencia de la fuerza gravitatoria.

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Materiales que se “autoensamblan”: ¿los componentes del futuro?

Vivimos un tiempo en el que la tecnología de impresión tridimensional se ha desarrollado y popularizado y está al alcance de todos utilizar una impresora de este tipo para producir objetos de plástico que pueden ser diseñados fácilmente en el ordenador. O incluso hacer réplicas de plástico de cualquier objeto tridimensional, que puede ser fácilmente escaneado.

En este contexto, se ha desarrollado la idea de fabricar objetos tridimensionales que después puedan adoptar nuevas formas, o que puedan unirse a otros objetos de forma ordenada para dar lugar a conjuntos más grandes. La idea es copiar los mecanismos que ocurren en la naturaleza a nivel molecular: nuestras células funcionan gracias a este fenómeno de autoensamblaje, por el cual se forman materiales ordenados partiendo de moléculas en disolución (en particular proteínas). Este ensamblaje ordenado de varias moléculas y átomos se basa en que los componentes tienen geometrías complementarias y en la interacción atractiva entre ellos (esta interacción siempre es de origen electromagnético).

Resulta muy ilustrativo el vídeo divulgativo del investigador del MIT Skylar Tibbits (con estudios en los campos de diseño, computación y arquitectura), que recomendamos a nuestros lectores:

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Visualizando los sorprendentes materiales estructurales de las neuronas

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

Las ténicas de microscopía óptica más avanzadas permiten visualizar con extraordinaria resolución los materiales estructurales de nuestras células. Un reciente estudio dirigido por la Profesora Xiaowei Zhuang muestra la estructura tubular de los axones neuronales.

Tradicionalmente, los microscopios ópticos permiten adquirir imágenes en las que en el mejor de los casos la resolución alcanzada es del orden de centenares de nanómetros (es decir, por encima de 0.0001mm). Sin embargo en las últimas dos decadas, en especial la última, hemos sido testigos del desarrollo de técnicas ingeniosas que permiten mejorar esta resolución para visualizar moléculas biológicas. La resolución alcanzada es en este caso del orden de decenas de nanómetros. El gran interés es contribuir al estudio de las biomoléculas en el interior de las células, dando alas a la exploración microscópica de los secretos de la vida.

Una de estas técnicas ha sido bautizada con un nombre de aires tan matemáticos como microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM), y ha sido desarrollada por el Grupo de la Profesora Xiaowei Zhuang en Boston. La técnica utiliza microscopía de fluorescencia. Se utilizan pequeñas moléculas fluorescentes que pueden adherirse a las biomoléculas de interes. La idea básica de esta técnica es iluminar sólo una pequeña cantidad de las moléculas fluorescentes en cada instante y localizar con gran precisión su posición (los interesados pueden ver más detalles en el vídeo de este enlace).

Imágenes mostrando la excelente resolución alcanzada por microscopía de fluorescencia convencional y por la técnica STORM (ver texto; imagen: X. Zhuang).

Con esta ingeniosa y eficaz técnica, se han obtenido recientemente imágenes de tres proteínas que forman parte de la estructura tubular que contribuye a la resistencia y rigidez de los axones de las neuronas. Dichas proteínas se ensamblan en una estructura repetitiva a lo largo del axón, formando barras en la dirección axial del axón y anillos transversales. Una organización semejante sería la que podría proponer un ingeniero para una estructura tubular. El ingeniero elegiría los tamaños de los anillos y de las barras de forma que tuvieran la rigidez y la resistencia apropiadas. La solución encontrada por la naturaleza para los axones debe cumplir con estos requisitos, si bien la comprensión de estos detalles está esperando el análisis de los científicos apasionados por los materiales biológicos…

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Aún intrigados por la secreta microestructura de la seda de araña

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Las excelentes propiedades de las fibras de seda de araña han hecho que este material sea especialmente conocido y que los avances científicos en su estudio tengan una amplia difusión en los medios de comunicación.

El interés se acentuó en las últimas décadas del siglo XX, cuando quedaron bien descritas las propiedades mecánicas, que las fibras han adquirido a lo largo de cientos de millones de años de evolución. En particular, es el material con mayor trabajo hasta rotura por unidad de volumen, por lo cual es idóneo para absorber energía en un impacto (a velocidad no muy elevada, como ocurre con los impactos de insectos en las telas de araña). Como atractivo añadido, las sedas son además una familia de materiales especialmente adecuados para aplicaciones en el campo de la biomedicina. Por ejemplo, se ha estudiado, con resultados excelentes, su posible utilización para obtener andamiajes aplicables en ingeniería de tejidos.

Si bien la seda que producen las arañas es la que tiene (con diferencia) las mejores propiedades, no resulta económicamente viable poner en marcha una industria dedicada a la extracción de seda de las arañas. Una de las razones es el hecho de que estos animales no pueden convivir en el mismo espacio por sus costumbres depredadoras. Por ello, se  han hecho continuos esfuerzos para responder a la gran pregunta que permitiría la producción de fibras equivalentes a las de las arañas: ¿cual es la relación entre las excelentes propiedades mecánicas de las fibras de seda naturales y su microestructura, composición y procesado? o dicho de otra forma, ¿podremos nosotros copiar a las arañas? A pesar de todo el trabajo llevado a cabo, aún hoy no somos capaces de obtener artificialmente fibras equivalente a las naturales, ni siquiera partiendo (supuestamente) de la misma composición, lo cual sigue intrigando a los científicos que han dedicado varias décadas de su vida a este tema.

Es cierto que en algunos momentos se han publicado resultados prometedores sobre obtención de fibras artificiales con propiedades comparables a las naturales o incluso superiores, pero que finalmente no han pasado de ser posibles promesas. Esta situación indica que aún no entedemos detalles importantes en la organización microestructural de las fibras.

Enfrentados a este desconcertante problema, en el Grupo de Materiales Biológicos y Biomateriales de la UPM hemos estudiado las propiedades de fibras naturales de seda durante más de una decena de años. En este tiempo hemos ampliado progresivamente las técnicas utilizadas, desde los ensayos mecánicos para medir la resistencia y deformación, hasta los ensayos de difracción de rayos X, de resonancia magnética nuclear o espectroscopía Raman para estudiar la microestructura. Las fibras están compuestas de proteínas con una longitud enorme (a escala molecular, claro), pues tienen millares de aminoácidos (las unidades que forman estos heteropolímeros). Las cadenas proteínicas se encuentran alineadas de forma ordenada en ciertas regiones cristalinas del material, y aparecen de una forma más desorganizada, como una maraña de cadenas, en las regiones desordenadas o amorfas.

En el trabajo del grupo publicado recientemente en la revista Soft Matter (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25446h), se ha estudiado cómo evolucionan las regiones cristalinas cuando se deforma una fibra.

Esquema de la evolución de las zonas cristalinas en las fibras de seda de araña: al estirar las fibras se produce una rotación de las zonas cristalinas, seguida después de un aumento de su tamaño.

Los detalles del proceso son especialmente interesantes: primero se produce la rotación de los las zonas cristalinas, lo cual supone un cambio en las regiones desordenadas, y después se produce el aumento de la fracción cristalina. Este trabajo aporta una información valiosa para la comprensión de los detalles microestructurales que permitirá finalmente explicar y modelizar las propiedades de las sedas.

Para saber más sobre el tema, se puede leer por ejemplo el artículo en Investigación y Ciencia “Usos médicos de la seda”.

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Pinturas autorreparables

Por Teresa Palacios (Universidad Politécnica de Madrid)

En los últimos años se están produciendo gran cantidad de avances tecnológicos que nos hacen la vida más fácil y cómoda. En este post, vamos a ver como se pueden utilizar las propiedades de los materiales para el desarrollo de una nueva pintura tecnológica autoreparable que nos permita conservar en perfecto estado objetos cotidianos.

En el año 2005 el fabricante de coches japonés Nissan desarrolló, junto con la Universidad de Tokyo y la empresa japonesa Advanced Softmaterials Inc. una pintura que permitía la autoreparación de pequeños daños superficiales y que actualmente se utiliza en una amplia gama de modelos Nissan e Infiniti. Pero sus avances no han quedado ahí, el mes pasado dieron la noticia de su aplicación fuera del sector de la automoción en Europa (en Japón la tecnología ya es utilizada por el operador móvil NTT DoCoMo) para el desarrollo de carcasas de uno de los dispositivos más de moda últimamente: el iPhone.

Este nuevo producto se denomina “Scratch Shield”. Se trata de una carcasa realizada en ABS, un polímero termoplástico amorfo muy resistente al impacto ampliamente utilizado en la industria del automóvil, y recubierta con esta nueva pintura tecnológica que permite devolver la estructura a su forma original. Esta pintura, que además es más resistente que una pintura convencional, protege las capas internas de la rotura, ayudando así a mantener la apariencia como si fuera nuevo durante más tiempo.

Pero, ¿en qué consiste? se trata de una pintura transparente realizada con polyrotaxane, una supramolécula formada por moléculas cilíndricas en torno a un eje formado por una cadena molecular (ver figura 1) altamente elástica y flexible que permite que cuando una pequeña fuerza se aplica contra ella, por ejemplo un arañazo, la estructura química reaccione para devolver la forma original y rellenar el hueco, reparando de este modo el daño. Estas cadenas se deslizan a través de los aros por lo que al aplicar la fuerza exterior, se mueven y redistribuyen de manera uniforme recuperando su estado inicial con el paso del tiempo. Además, su apariencia de gel permite que sea más resistente a los arañazos que una pintura convencional y una mejor sujeción del dispositivo.

Polyrotaxane (http://www.molle.k.u-tokyo.ac.jp/research/research_2_e.html)

 

Comportamiento de Scratch Shield frente al de un recubrimiento convencional (http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html)

El tiempo estimado para que se produzca esta autoreparación dependerá de diversos factores externos tales como la temperatura o la penetración de rayado, aunque puede ser cuestión de minutos. Habrá que tener en cuenta que no es posible reparar arañazos muy profundos, ya que si esta rompe el recubrimiento no será capaz de autorepararse, y que la duración eficaz estimada de esta pintura es de tres años.

Además de Nissan, en el mundo existen otros grupos de investigación trabando para mejorar la reparación de arañazos como la Case Western Reserve University en USA: Imagen de previsualización de YouTube

Fuente:

http://www.nissan-global.com/

Videos:
SUPRAMOLECULE

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Badén inteligente

Por Konstantina Konstantopoulou , Licenciada en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

El desarrollo y la investigación en nuevos materiales pueden cambiar y facilitar mucho nuestra vida diaria. Un buen ejemplo de esto es el nuevo desarrollo realizado por la empresa española Badennova, el “Badén inteligente”.
Los badenes convencionales consiguen regular la velocidad de los vehículos pero a la vez producen frenadas bruscas, molestias a los usuarios, contaminación acústica y ambiental y el deterioro de los amortiguadores, independientemente de la velocidad a la que se atraviesen estos obstáculos.

Con el fin de evitar estos inconvenientes, la empresa Badennova en colaboración con investigadores de la Universidad de Málaga ha desarrollado el “Badén inteligente”. Este badén se diferencia de los convencionales por tener un comportamiento muy distinto al paso de los vehículos, dependiendo de la velocidad que lleva el vehículo. Si el vehículo pasa a baja velocidad, este badén no opone resistencia y no sufren las ruedas ni los amortiguadores y sobre todo los pasajeros. Cuando el vehículo pasa a velocidad superior a la recomendada, el badén se comporta como un badén convencional.

El nuevo badén consta de dos componentes diferenciados: un recipiente y el fluido que lleva en su interior. La clave para conseguir la respuesta deseada es que el fluido muestre una viscosidad diferente dependiendo del valor del impacto recibido por las ruedas del vehículo al circular este a diferente velocidad. Este fluido se trata de un material no-newtoniano, en el que las partículas que lo componen se encuentran en movimiento de manera habitual, con lo que se muestra como un líquido. Sin embargo, las partículas se alinean en el momento en el que el material recibe un impacto, pasando de manera inmediata a un estado sólido.

Badén inteligente

El desarrollo del fluido interno se ha conseguido partiendo de las investigaciones del Dr. D. Francisco José Rubio Hernández, profesor de la ETS de Ingeniería Industrial de la Universidad de Málaga. Gracias al uso de este material, se consigue que el badén no ofrezca ninguna resistencia al paso de los vehículos que respetan la velocidad indicada, pero sí supone un obstáculo para aquellos que no lo hagan. Por otro lado, un equipo de tres ingenieros trabaja, con el apoyo del centro Andaluz de Plástico y Tecnología, sobre el material envolvente, centrándose en su degradación, facilidad de instalación y reciclaje.

El “Badén inteligente” ha recibido los premios a la mejor Innovación Tecnológica, otorgado por la Fundación Española de Seguridad Vial (Fesvial) y a la Innovación Intertraffic 2010, en la categoría de seguridad por su innovador sistema.

Para más información: http://www.badennova.com/

 

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