Un material derivado del tabaco es tan resistente como la madera o los plásticos

hojas de tabaco Alex Plesovskich | Unsplash

La dependencia de la humanidad del plástico es un problema importante. Este material se deriva del petróleo y generalmente termina su vida en vertederos o en un incinerador. De cualquier manera, eso es insostenible. Entonces, ¿por qué no desarrollar biocompuestos que sean más amigables con el medio ambiente?

Eso no es tan simple como parece. La mayoría de los plásticos biodegradables se basan en una estructura de matriz derivada del petróleo. Esto se debe a que las matrices biológicas generalmente carecen de la fuerza para la mayoría de las aplicaciones estructurales y de ingeniería.

Luego está la madera natural, que se puede procesar para darle propiedades que rivalizan con el acero y la cerámica. Pero este procesamiento requiere tratamientos químicos severos que no son amigables con el medio ambiente.

Por lo tanto, existe un gran interés en encontrar formas de convertir plantas ordinarias en biocompuestos que sean sostenibles y comparables en rendimiento mecánico a la madera procesada y los plásticos convencionales.

Entra Eleftheria Roumeli y sus colegas en el Instituto de Tecnología de California. Este equipo ha encontrado una manera de convertir las células de las plantas de tabaco en un material muy fuerte con propiedades mecánicas similares a las de la madera. Hemos desarrollado un nuevo método para crear materiales biocompuestos naturales basados ​​en células vegetales, dicen. La rigidez y la resistencia [de los materiales] superan las de los plásticos comerciales de densidad similar, como el poliestireno y el polietileno de baja densidad, y son totalmente biodegradables.

El método de fabricación es sencillo. El equipo comienza con células de la planta herbácea. Nicotiana tabacum, que cultivan en suspensión líquida en el laboratorio. Esta planta ampliamente cultivada produce hojas que se transforman en tabaco.

Estas células están bien estudiadas y están fácilmente disponibles para los investigadores. Algunas líneas celulares, como la línea BY-2, pueden multiplicarse 100 veces en una semana cuando se cultivan en suspensión. Roumeli y compañía no dicen qué tipo de celda usan, aunque las celdas BY-2 parecen una opción razonable, dadas las referencias del artículo.

Cada célula tiene una pared celular reforzada por microfibrillas hechas de proteínas y celulosa, que anudan la pared de manera efectiva. La pared celular encierra el núcleo celular, varios tipos de maquinaria biomolecular para procesar energía, etc., y el citoplasma, gran parte del cual es agua. (Las líneas celulares BY-2 no realizan la fotosíntesis y, por lo tanto, no contienen clorofila).

Habiendo cultivado las células, el equipo las cosecha y las comprime en un molde. El molde es permeable para permitir que el agua escape. Durante la compresión, el agua se difunde a través de la pared celular de la planta y el volumen celular se reduce gradualmente, dicen.

De hecho, las células pierden el 98% de su peso durante este proceso. La mayor parte de esto se debe a la evaporación del agua, pero también intervienen otros procesos, como la degradación de biomoléculas complejas, como pectinas, hemicelulosa y compuestos fenólicos.

Luego, el equipo calienta el material deshidratado. Esto hace que las microfibrillas experimenten transiciones de fase y formen estructuras cristalinas. El material obtenido es un biocompuesto, compuesto por una mezcla heterogénea de biopolímeros sintetizados naturalmente, dicen Roumeli y compañía.

Y es notablemente duro. El equipo midió sus propiedades mecánicas y las comparó con maderas blandas como el pino; maderas duras como álamo, roble y nogal; y madera contrachapada comercial y MDF. También lo compararon con plásticos sintéticos de densidad similar, como poliestireno, polipropileno y polietileno de baja densidad.

Los resultados revelan lo bueno que es este material. El rendimiento mecánico de nuestros biocompuestos es comparable al de las maderas y los plásticos de ingeniería comercial, dicen Roumeli y compañía. Superan todos los valores informados en la literatura para materiales compuestos de células vegetales, micelio o matrices de levadura.

Cómo se adaptan los biocompuestos (BC) a la madera y el plástico.

El equipo continúa haciendo que el material sea aún más fuerte al agregar fibra de carbono. De hecho, pueden afinar aún más las propiedades del biocompuesto con aditivos que lo hacen conductor o magnético.

Una cuestión importante para la sostenibilidad es cómo se degrada este material al final de su vida. El temor es que este tipo de procesamiento produzca biopolímeros que son tan fuertes que no se descomponen fácilmente.

Para averiguarlo, Roumeli y compañía enterraron sus muestras en suelo agrícola junto con un poco de madera común y observaron lo que sucedió. Ambas muestras inicialmente ganaron peso al absorber agua del suelo. Pero luego ambos se derrumbaron naturalmente.

La pérdida de masa detectable debido a la biodegradación de los biocompuestos comienza 3 semanas después de la incubación, mientras que para la madera natural comienza unas 7 semanas después, dice el equipo. Observamos una biodegradación casi completa del biocompuesto 14 semanas después de la incubación inicial.

Es un trabajo interesante que merece más atención. Computadoras portátiles biodegradables, ¿alguien?

Ref: arxiv.org/abs/1909.01926 : Compuestos de matriz biológica basados ​​en células vegetales

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