Fabricado con plásticos reciclados, funciona tanto bajo el agua como en ambientes secos
Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía estadounidense han inventado un adhesivo reutilizable a partir de polímeros de desecho que es más resistente que los pegamentos comerciales, funciona tanto bajo el agua como en ambientes secos y une una variedad de materiales, incluyendo madera, vidrio, metal, papel y polímeros.
Inspirado en la forma en que los mejillones se adhieren tenazmente a las superficies, este innovador adhesivo contiene agentes reticulantes químicos reversibles que permiten que el pegamento endurecido se ablande, se desprenda y se pueda reutilizar, a diferencia de los pegamentos actuales, que se fijan permanentemente después de un solo uso.
Los actuales proyectos suelen requerir diferentes adhesivos para diferentes superficies: pegamento blanco para proyectos artísticos escolares, acetatos de polivinilo para encuadernación, poliuretanos para la fabricación de calzado, siliconas para sellar ventanas y fijar componentes electrónicos, y epoxis industriales para unir componentes de aeronaves y automóviles.
Un adhesivo único con un buen rendimiento en múltiples aplicaciones podría simplificar la fabricación y la reparación, a la vez que reduciría los residuos. Este avance podría tener un gran impacto económico en el mercado mundial de adhesivos y selladores, valorado en aproximadamente 87.000 millones de dólares y que se prevé que alcance casi los 119.000 millones de dólares en 2032.
"La mayoría de los adhesivos están diseñados para una aplicación específica", dijo Anisur Rahman, miembro del personal de investigación y desarrollo del ORNL, quien dirigió un estudio junto con la ex investigadora postdoctoral del ORNL, Mary Danielson, ahora profesora asistente de investigación en el Instituto de Innovación de la Universidad de Tennessee-Oak Ridge.
"Nuestro adhesivo puede utilizarse en diversas aplicaciones, incluyendo usos estructurales o sensibles a la presión, y ofrece un rendimiento fiable tanto en ambientes húmedos como secos", afirmó. "Ninguno de los adhesivos comerciales puede utilizarse de esta manera".
Imagen: De izquierda a derecha, Mary Danielson y Anisur Rahman, líderes de un proyecto del ORNL para inventar un pegamento reutilizable y versátil a partir de residuos de polímeros, examinan su rendimiento de adhesión. Crédito: Carlos Jones/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Partiendo de polímeros comunes procedentes de botellas de bebidas, fibras textiles y películas de embalaje, el equipo de investigación desarrolló un proceso que ahorra materiales, energía y dinero. "Transformamos material destinado al vertedero en algo valioso", afirmó Danielson.
Los investigadores han solicitado una patente para su versátil adhesivo.
Cómo funcionan los enlaces reversibles
Los adhesivos estructurales tradicionales se basan en enlaces cruzados permanentes que dificultan su remoción. "Los adhesivos tradicionales se aplican una sola vez; no se pueden reutilizar", explicó Rahman.
"Básicamente, hay que desmontar todo el conjunto para despegarlo", añadió Danielson. "Se dañan tanto la pieza a la que se está pegando como la pieza de la que se está pegando. Si se comete un error al pegar algo y se deja secar, ya no hay vuelta atrás".
En el adhesivo del ORNL, los agentes reticulantes actúan como fijaciones reversibles, similares al velcro. El calentamiento rompe los enlaces químicos dinámicos del polímero, lo que permite que el adhesivo se desprenda sin dañar las superficies. A medida que el material se enfría, los enlaces se reforman.
"Si algo se daña o se aplica incorrectamente, se puede retirar por completo y volver a colocarlo sin que pierda su integridad", dijo Danielson.
El equipo despegó y volvió a pegar el adhesivo más de 10 veces sin que se viera afectado su rendimiento.
"Normalmente, en el mercado, los adhesivos estructurales suelen tener una resistencia al corte —una medida de la adhesión— que oscila entre los 7 y los 10 megapascales", explicó Rahman. "Nuestros adhesivos también superan con creces ese rango, pero conservan su capacidad de reutilización".
Los investigadores también pueden recuperar el adhesivo químicamente, utilizando un exceso de moléculas de amina para descomponerlo en sus subunidades monoméricas. "Podemos recuperar todos los componentes químicos utilizados en este adhesivo", afirmó Rahman.
Imagen: Las proteínas adhesivas de los mejillones, compuestas por catecolaminas y lisina anfifílicas, forman interacciones dinámicas y robustas con diversas superficies. La naturaleza anfifílica de estos aminoácidos es crucial para su adaptabilidad, permitiendo la adhesión tanto en ambientes húmedos como secos. Inspirándonos en este sistema natural, hemos desarrollado un adhesivo resistente, reversible, altamente adaptable y sostenible a partir de residuos de PET, apto para aplicaciones subacuáticas, estructurales y sensibles a la presión. La imagen reproducida es de dominio público y proviene de Unsplash.
Diseño inspirado en los mejillones
Un polímero es una cadena larga o red formada por monómeros, o subunidades químicas de un mismo tipo. Sin utilizar disolventes ni catalizadores, los científicos añadieron amina, un grupo químico que contiene nitrógeno, al polímero residual y lo calentaron hasta justo por debajo de la temperatura de fusión del polímero. En estas condiciones blandas, la amina descompuso el polímero en monómeros, cada uno de los cuales contenía cuatro grupos amina.
A continuación, para diseñar el adhesivo, los investigadores del ORNL imitaron las proteínas del pie del mejillón, que contienen componentes tanto hidrofílicos como hidrofóbicos que permiten una fuerte adhesión incluso en ambientes húmedos.
"Utilizamos un agente reticulante, o endurecedor, que contiene componentes hidrófilos y hidrófobos en la misma molécula", explicó Rahman. "Mezclamos el endurecedor con el monómero, creando una resina adhesiva que actúa como la proteína del pie de un mejillón".
"En el caso de cualquier adhesivo que sea una red reticulada de dos componentes, se necesita tiempo para que se complete la reacción entre ellos", explicó Danielson. "Para reparar barcos, submarinos y tuberías, nuestro adhesivo se puede aplicar bajo el agua mediante presión manual hasta que se endurezca".
El curado se produce cuando un monómero grande de cuatro brazos interactúa con el endurecedor reticulante. El grupo amino del monómero reacciona con el grupo acetoacetato del endurecedor para formar una resina, o matriz, con características hidrofílicas e hidrofóbicas. La adhesión o liberación de la proteína depende del equilibrio entre estas propiedades.
"Nuestro adhesivo mantuvo una fuerte adherencia en diferentes condiciones ambientales, incluyendo agua de mar, temperaturas extremadamente bajas (100 grados Celsius bajo cero) y condiciones tanto ácidas como básicas", dijo Rahman.
Hacia aplicaciones de unión fuerte y débil
El equipo también ha explorado el uso de esta química pionera para el desarrollo de vehículos. El adhesivo del ORNL mantuvo una fuerte adhesión entre diferentes sustratos, un requisito crucial en aplicaciones automotrices y aeroespaciales, donde la unión de materiales compuestos con aluminio o acero presenta importantes desafíos.
A continuación, los científicos pretenden ajustar la reticulación para permitir enlaces temporales más débiles para etiquetas removibles, vendajes adhesivos, parches de administración de fármacos y otras aplicaciones.
El pegamento versátil y de alto rendimiento del ORNL está diseñado para causar un impacto duradero en situaciones que van desde lo cotidiano hasta lo extraordinario. Sus posibles usos abarcan desde artículos domésticos que requieren una extracción delicada, como clavos adhesivos y etiquetas de precio, hasta reparaciones en entornos remotos o extremos, incluso bajo el agua o en el espacio exterior, lugares donde puede que no se disponga de pegamentos especiales.
El estudio se ha publicado en Science Advances: High-performance reversible adhesive from PET waste for underwater, structural, and pressure-sensitive applications
