Cada año se generan en todo el mundo 400 millones de toneladas de residuos plásticos. Entre 19 y 23 millones de toneladas de esos desechos plásticos llegan a los ecosistemas acuáticos y el resto va al suelo. Anualmente se generan 92 millones de toneladas adicionales de residuos de tela.

Challa Kumar, profesora emérita de química, "harta" de la tremenda cantidad de desechos tóxicos que la gente continuamente arroja al medio ambiente, se sintió obligada a hacer algo. Como químico, hacer algo significaba utilizar su experiencia para desarrollar materiales nuevos y sostenibles.

"Todos deberían pensar en reemplazar los materiales basados ​​en combustibles fósiles con materiales naturales en cualquier lugar que puedan para ayudar a nuestra civilización a sobrevivir", dice Kumar. "La casa está en llamas, no podemos esperar. Si la casa está en llamas y empiezas a cavar un pozo, eso no va a funcionar. Es hora de empezar a echar agua sobre la casa".

Kumar ha desarrollado dos tecnologías que utilizan proteínas y tela, respectivamente, para crear nuevos materiales. Los Servicios de Comercialización de Tecnología (TCS) de UConn han presentado patentes provisionales para ambas tecnologías.

Inspirándose en la capacidad de la naturaleza para construir una amplia gama de materiales funcionales, Kumar y su equipo desarrollaron un método para producir materiales no tóxicos continuamente sintonizables.

"La química es lo único que se interpone en nuestro camino", dice Kumar. "Si entendemos la química de las proteínas, podemos crear materiales proteicos tan fuertes como un diamante o tan suaves como una pluma".

La primera innovación es un proceso para transformar proteínas naturales en materiales similares al plástico. El estudiante de Kumar, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., trabajó en este proyecto.

Las proteínas tienen en su superficie "grupos reactores" que pueden reaccionar con sustancias con las que entran en contacto. Utilizando su conocimiento sobre cómo funcionan estos grupos, Kumar y su equipo utilizaron un enlace químico para unir moléculas de proteínas.

Este proceso crea un dímero, una molécula compuesta de dos proteínas. A partir de ahí, el dímero se une a otro dímero para crear un tetrámero, y así sucesivamente hasta que se convierte en una gran molécula tridimensional. Este aspecto 3D de la tecnología es único, ya que la mayoría de los polímeros sintéticos son cadenas lineales.

Esta novedosa estructura 3D permite que el nuevo polímero se comporte como un plástico. Al igual que las proteínas que lo componen, el material puede estirarse, cambiar de forma y doblarse. Por lo tanto, el material se puede adaptar mediante química para una variedad de aplicaciones específicas.

A diferencia de los polímeros sintéticos, debido a que el material de Kumar está hecho de proteínas y un químico bioenlazado, puede biodegradarse, tal como lo hacen naturalmente las proteínas vegetales y animales.

"La naturaleza degrada las proteínas rompiendo los enlaces amida que contienen", dice Kumar. "Tiene enzimas para manejar ese tipo de química. Tenemos los mismos enlaces amida en nuestros materiales. Por lo tanto, las mismas enzimas que funcionan en biología también deberían funcionar en este material y biodegradarlo de forma natural".

En el laboratorio, el equipo descubrió que el material se degrada en unos pocos días en una solución ácida. Ahora, están investigando qué pasa si entierran este material en el suelo, que es el destino de muchos plásticos posconsumo.

Han demostrado que el material a base de proteínas puede formar una variedad de productos similares al plástico, incluidas tapas de tazas de café y finas películas transparentes. También podría usarse para fabricar tejas resistentes al fuego o materiales de alta gama como puertas de automóviles, puntas de conos de cohetes o válvulas cardíacas.

Los próximos pasos de esta tecnología son seguir probando sus propiedades mecánicas, como resistencia o flexibilidad, así como su toxicidad.

"Creo que debemos tener conciencia social de que no podemos emitir materiales tóxicos al medio ambiente", dice Kumar. "Simplemente no podemos. Tenemos que dejar de hacerlo. Y tampoco podemos utilizar materiales derivados de combustibles fósiles".

La segunda tecnología de Kumar utiliza un principio similar, pero en lugar de solo proteínas, utiliza proteínas reforzadas con fibras naturales, específicamente algodón.

"Estamos generando una gran cantidad de residuos textiles cada año debido a los rápidos cambios de la industria de la moda", afirma Kumar. "Entonces, ¿por qué no utilizar esos residuos para crear materiales útiles y convertir los residuos en riqueza?"

Al igual que los materiales proteicos similares al plástico (llamados "Proteios", derivados de las palabras griegas originales), Kumar espera que los materiales compuestos hechos de proteínas y fibras naturales se biodegraden sin producir desechos tóxicos.

En el laboratorio, el ex alumno de Kumar, el candidato a doctorado Adekeye Damilola, creó muchos objetos con compuestos de proteína y tela, que incluyen zapatos pequeños, escritorios, flores y sillas. Este material contiene fibras textiles que sirven como agente de enlace con las proteínas, en lugar del químico de enlace cruzado que Kumar utiliza para los plásticos a base de proteínas.

La reticulación proporciona al nuevo material la resistencia necesaria para soportar el peso que se colocaría sobre algo como una silla o una mesa. La afinidad natural entre las fibras y las proteínas es la razón por la que es tan difícil quitar las manchas de comida de la ropa. Esta misma atracción hace que los materiales de tela proteica sean fuertes.

Si bien el equipo de Kumar solo ha trabajado con algodón hasta ahora, esperan que otros materiales fibrosos, como las fibras de cáñamo o el yute, se comporten de manera similar debido a sus propiedades químicas inherentes pero comunes al algodón.

"La proteína se adhiere naturalmente a la superficie de la proteína", dice Kumar. "Usamos ese entendimiento para decir 'Oye, si se une tan fuertemente al algodón, ¿por qué no hacemos un material con él?' Y funciona, funciona de maravilla."

Proporcionado por la Universidad de Connecticut