Los materiales que se ensamblan y luego simplemente desaparecen al final de su vida útil son bastante comunes en la naturaleza. Investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado con éxito materiales supramoleculares que se desintegran en un tiempo predeterminado, una característica que podría usarse en numerosas aplicaciones.

Botellas de plástico, latas vacias, juguetes viejos, camisetas rotas y teléfonos móviles gastados, día tras día, la humanidad produce millones de toneladas de desechos. ¿Cómo podemos evitar que nuestro planeta se asfixie en la basura?

Para este día, el reciclaje es el método de elección. Pero es caro:"Hasta ahora, La mayoría de las sustancias artificiales son químicamente muy estables:para descomponerlas de nuevo en sus componentes, hay que gastar mucha energía, "explica Job Boekhoven, profesor de Química Supramolecular en el TUM. Inspirado por procesos biológicos, el químico está siguiendo otro camino.

"La naturaleza no produce basureros. En cambio, Las células biológicas sintetizan constantemente nuevas moléculas a partir de las recicladas. Algunas de estas moléculas se ensamblan en estructuras más grandes, los denominados conjuntos supramoleculares que forman los componentes estructurales de la célula. Este conjunto dinámico nos inspiró a desarrollar materiales que se desechan por sí mismos cuando ya no se necesitan. "

La naturaleza como modelo

Una de las diferencias clave entre las sustancias artificiales y la mayoría de los materiales biológicos vivos es su gestión energética:los materiales artificiales están en equilibrio con su entorno. Eso significa que no intercambian moléculas ni energía, permaneciendo así como están.

La naturaleza funciona de acuerdo con otro principio:materiales biológicos vivos, como piel y hueso, pero también células, no están en equilibrio con su entorno. Es necesario un aporte constante de energía y bloques de construcción para su construcción, mantenimiento y reparación.

"Un ejemplo típico de fuente de energía es el trifosfato de adenosina, ATP para abreviar, "explica Boekhoven." Siempre que haya suficiente energía disponible, los componentes dañados y las células enteras se pueden descomponer y reemplazar por otros nuevos, de lo contrario, el organismo muere y se desintegra en sus bloques de construcción básicos ".

Al final solo queda polvo molecular

Los nuevos materiales que Boekhoven exploró con un equipo interdisciplinario de químicos, físicos, y los ingenieros de la TU de Múnich se basan en el modelo natural:los bloques de construcción moleculares son inicialmente móviles libremente, pero si se agrega energía en forma de moléculas de alta energía, se forman estructuras supramoleculares.

Estos se desintegran de forma autónoma una vez que se agota la energía. Por lo tanto, la vida útil puede predefinirse por la cantidad de "combustible" añadido. En el laboratorio, los materiales se pueden configurar para que se degraden de forma autónoma después de varios minutos a varias horas. Es más, siguiendo un ciclo, el material degradado se puede reutilizar simplemente agregando otro lote de moléculas de alta energía.

Del laboratorio a la práctica

Los científicos diseñaron diferentes anhídridos que se ensamblan en coloides, hidrogeles o tintas supramoleculares. En estos materiales, una red de reacción química convierte los dicarboxilatos en anhídridos metaestables impulsados ​​por el consumo irreversible de carbodiimida como "combustible". Debido a su carácter metaestable, los anhídridos se hidrolizan a sus dicarboxilatos originales con vidas medias en el rango de segundos a varios minutos.

Debido a que las moléculas forman estructuras muy diferentes según su composición química, surgen numerosas posibilidades de aplicación. Coloides esféricos, por ejemplo, se puede cargar con moléculas insolubles en agua, que podrían usarse para transportar medicamentos contra el cáncer directamente a la célula tumoral. Al final de su misión, los coloides se disolverían de forma autónoma, liberando así las drogas localmente.

Otros bloques de construcción se ensamblan en estructuras fibrosas largas que transforman los fluidos en geles y podrían usarse para estabilizar el tejido recién trasplantado durante un tiempo predefinido. después de lo cual el cuerpo se haría cargo de esta función. Y, se podrían producir tintas con una durabilidad definida con precisión a partir de moléculas que se ensamblan en conjuntos en forma de estrella.

¿Será posible construir máquinas supramoleculares o teléfonos móviles que simplemente desaparezcan cuando ya no sean necesarios? "Puede que esto no sea completamente imposible, "destaca Boekhoven, "pero aún queda un largo camino por recorrer. Ahora mismo estamos trabajando en lo básico".