Los ingenieros de la UD son los inventores principales de una nueva patente para fabricar dispositivos piezoeléctricos, como sensores y actuadores, utilizando Nodax, un polímero biodegradable de base biológica.
Cada año se fabrican más de 400 millones de toneladas de plástico, incluidos artículos de un solo uso como bolsas de la compra y vasos para beber. Debido a que estos materiales pueden llegar al medio ambiente sin degradarse durante mucho tiempo, los investigadores y las empresas están buscando materiales que ofrezcan propiedades físicas similares a las de los plásticos convencionales, pero que se biodegraden rápidamente y no causen daño a las plantas ni a los animales.
Un polímero inventado, diseñado y sintetizado químicamente por Isao Noda, profesor afiliado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la UD, es uno de esos materiales alternativos de base biológica y biodegradable. Gracias a una colaboración continua con John Rabolt, profesor Karl W. y Renate Böer de ciencia e ingeniería de materiales, se descubrió que este polímero tiene propiedades piezoeléctricas sorprendentemente altas, lo que significa que es capaz de producir electricidad cuando se dobla o deforma.
Ahora, el equipo de investigación con sede en la UD ha obtenido una patente estadounidense por el uso de este material innovador para producir dispositivos piezoeléctricos. Junto con las patentes ya concedidas en varios otros países, este logro allana el camino para una amplia gama de posibles aplicaciones y oportunidades de comercialización.
Mientras trabajaba como científico industrial en Procter &Gamble, a Noda se le asignó la tarea de encontrar un nuevo tipo de material biodegradable para pañales y paquetes desechables. Comenzó a investigar una clase de polímeros llamados polihidroxialcanoatos (PHA), un tipo de poliéster natural elaborado por bacterias y otros microorganismos y plantas.
El problema, explicó Noda, era que los PHA que se conocían en ese momento eran demasiado duros y frágiles para ser útiles en la mayoría de las aplicaciones prácticas.
"Estaba haciendo mucha caracterización espectroscópica y me di cuenta de que deberíamos poder encontrar bacterias que pudieran modificar la estructura molecular de los PHA de una manera particular", explicó Noda, refiriéndose a la longitud de la cadena del grupo lateral alquilo del polímero. P>
"Estas ramas pueden ser metilo o etilo, que no se pueden fundir ni procesar fácilmente. Pero, cuando se extiende esta rama a tres carbonos, es decir, propilo, o incluso más, de repente el material se puede procesar más fácilmente y se vuelve dúctil". Polímero resistente, resistente y útil."
Este polímero biodegradable, con el nombre comercial Nodax, es fabricado hoy a escala industrial por Danimer Scientific, una empresa de biotecnología enfocada en crear materiales alternativos sustentables para reemplazar los plásticos convencionales. UD también tiene una asociación continua con Danimer, quien apoyó los recientes esfuerzos de solicitud de patente.
A diferencia de cómo se fabrican los plásticos estándar, Nodax se fabrica en grandes tanques mediante bacterias utilizando materias primas de origen vegetal. Luego, otras empresas compran los polímeros Nodax formulados para fabricar una variedad de productos de uso final, con tasas de biodegradación similares a las de la celulosa o los desechos de alimentos.
"Danimer Scientific ha sido pionero en la producción comercial de PHA naturales, ofreciendo materiales biodegradables y compostables renovables y totalmente certificados para muchas aplicaciones diferentes de envasado y servicio de alimentos, como pajitas, cubiertos, revestimientos de papel, monodosis de café y películas flexibles", dijo Keith A. . Edwards, vicepresidente de desarrollo empresarial de Danimer.
Descubriendo nuevas propiedades a través de la investigación fundamental
Pero el trabajo no se detuvo una vez que los biopolímeros Nodax comenzaron a producirse a escala. Después de dar una charla invitada en la UD en 2012, Noda se reunió con su viejo colega Rabolt y decidió transferir parte del material que había acumulado a lo largo de los años para apoyar nuevas vías de investigación fundamental. Noda, quien también se desempeñó como vicepresidente senior de Danimer Scientific desde 2013 hasta 2019 y aún forma parte de su junta directiva, se unió a la UD como miembro afiliado de la facultad en 2012.
Con esfuerzos liderados por Ph.D. Los ex alumnos Liang Gong (ahora en 3M), Brian Sobieski (ahora en FXI), Changhao Liu (ahora en A123 Systems) y el profesor de investigación en ciencia e ingeniería de materiales Bruce Chase, además de Noda y Rabolt, descubrió el equipo de investigación con sede en la UD. Propiedades aún más únicas de los PHA. Esto incluyó el descubrimiento de que una de las formas del material era altamente piezoeléctrica, lo que significa que mantiene una carga eléctrica después de que se aplica una fuerza mecánica.
"Fue una gran colaboración:teníamos químicos, reólogos, físicos, la combinación adecuada de habilidades para poder comprender y hacer cosas diferentes con este material único", dijo Rabolt.
Este hallazgo llevó a la Oficina de Innovación Económica y Asociaciones (OEIP) de la UD a solicitar una patente que utiliza Nodax como polímero biodegradable para fabricar dispositivos piezoeléctricos en 2019; esa patente fue permitida y emitida a principios de este año, con inventores nombrados, entre ellos Chase, Noda y Rabolt.
"Es emocionante ver los resultados de esta colaboración entre la Universidad de Delaware y Danimer Scientific, que tiene el potencial de provocar una reacción en cadena de beneficios", afirmó Julius Korley, vicepresidente asociado de OEIP.
"A medida que las empresas incorporen Nodax en dispositivos útiles para el público, las regalías de patentes regresarán a la Universidad para recompensar a nuestros inventores y promover la inversión en investigación e innovación, y nuestros estudiantes aprenderán a convertirse en innovadores a lo largo del camino".
El hallazgo de que Nodax tiene altas propiedades piezoeléctricas significa que podría usarse en sensores o actuadores. Nodax también podría servir como un posible reemplazo del fluoruro de polivinilideno (PVDF), un material piezoeléctrico común que está hecho de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), una clase de "químicos permanentes" que se han relacionado con resultados negativos para la salud. P>
Si bien este material aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, las posibilidades de trabajo adicional, tanto en términos de investigación fundamental como de aplicaciones potenciales, entusiasman a Noda. "Queremos descubrir propiedades adicionales que aún no se han explorado, comprender cómo mejorar el material y adaptar el procesamiento a escalas industriales y, en general, seguir realizando investigaciones fundamentales que ayudarán a otras empresas con sus aplicaciones futuras", dijo.
"La parte divertida es simplemente poder probar cosas diferentes con el tiempo; tal vez desarrollar la capacidad ferroeléctrica o piroeléctrica del material, cosas así", añadió Rabolt. "Con este nuevo material estamos realmente en la punta del iceberg."
Danimer ya ha trabajado con socios para producir fibras textiles utilizando Nodax para reemplazar materiales convencionales como PET y polipropileno. La oportunidad de expandirse ahora a aplicaciones de fibra piezoeléctrica es un avance apasionante.
"El futuro de los PHA como polímero más perfecto en muchas aplicaciones es ahora, y Danimer vuelve a ser pionero en nuevas soluciones biotecnológicas con grandes socios como UD", afirmó Edwards.
Proporcionado por la Universidad de Delaware
