El poliftalaldehído es un plástico que se desintegra al recibir luz. Esta propiedad, que podría considerarse como un defecto del material, en realidad puede ser aprovechada en la búsqueda de soluciones al principal inconveniente que acarrea el mal uso de los plásticos: la contaminación de los ecosistemas.
Para entender por qué la luz destruye al poliftalaldehído es conveniente conocer primero cómo se sintetiza este plástico. La pista la da el nombre del material, que quiere decir muchas moléculas de ftalaldehído. Se trata de un polímero, palabra de etimología griega que quiere decir “muchas partes”. Cada una de ellas, llamada monómero, es una unidad de ftalaldehído. Esta molécula es análoga a la del ácido ftálico (ácido benceno-1,2-dicarboxílico), pero con grupos carbaldehído (–CHO) en lugar de carboxílicos (–COOH) (figura 6.1). Por eso, se llama también benceno-1,2-dicarbaldehído. Otra forma de denominarla es orto-ftalaldehído. Orto quiere decir que los grupos sustituyentes del benceno se encuentran en posiciones vecinas (1,2); si las posiciones son 1,3 se puede emplear el prefijo meta; si son 1,4, el prefijo para. Las moléculas orto, meta y para-ftalaldehído se dice que son entre sí isómeros de posición.
El ftalaldehído es sólido a temperatura ambiente. Por lo tanto, para que sus moléculas se polimericen hay que ponerlo en disolución. Al ser un compuesto apolar se necesita un disolvente apolar. La polimerización puede producirse según distintos mecanismos, dependiendo del tipo de catalizador empleado (aniónico, catiónico, con compuesto de coordinación o complejo e incluso con rayos g)[1].
Como es sabido, las reacciones químicas se escriben de forma análoga a las ecuaciones matemáticas, con un primer término en el que figuran los reactivos y un segundo término en el que están los productos. Pero todas las reacciones químicas son teóricamente reversibles en mayor o menor grado; esto quiere decir que los productos también pueden reaccionar entre sí y regenerar los reactivos. Hablamos, entonces, de reacción directa y reacción inversa. En el caso de una polimerización, la correspondiente reacción en sentido inverso es la despolimerización. Pues bien, el poliftalaldehído es un polímero que tiene tendencia a despolimerizarse al recibir diferentes estímulos; por ejemplo, sometiéndolo a ultrasonidos.
Por otro lado, este polímero se dice que tiene lo que se llama una temperatura de techo ( ). Se trata de un valor de temperatura por debajo de la cual el polímero es estable, pero por encima de ella tiende a despolimerizarse. Para entender el sentido de esta variable consideremos la conocida expresión que relaciona el cambio de energía de Gibbs, ΔG, con el cambio de entalpía, ΔH, y el de entropía, ΔS [6.1]:
Según la termodinámica, el proceso de polimerización será espontáneo si la reacción de la figura 6.1-izqda. tiene un valor de ΔG negativo; sin embargo, si ΔG es positivo será espontánea la despolimerización. Por lo tanto, la temperatura de techo será el valor de temperatura para el cual ΔG pasa de ser negativo a positivo o viceversa y se podrá calcular haciendo ΔG = 0 en [6.1], obteniéndose [6.2]:
En el proceso de polimerización del ftalaldehído se produce una “ordenación” de los monómeros en el polímero, por lo que la entropía disminuye (ΔS < 0). Por otro lado, la polimerización es exotérmica (ΔH < 0). Por lo tanto, se deduce a partir de [6.1] que, si la temperatura es baja, el término –T ΔS será positivo pero con un valor pequeño, por lo que ΔG podría ser negativo y el proceso espontáneo sería el de la polimerización. Pero si T es alta, el valor –T ΔS será positivo y alto, pudiendo compensar el valor negativo de ΔH, lo que haría que ΔG pudiese llegar a ser positivo, en cuyo caso el proceso espontáneo sería el de despolimerización.
El ftalaldehído tiene una temperatura de techo muy baja: –43 oC (compárese, por ejemplo, con la del tetrafluoroetileno, monómero generador del teflón, que es de unos 1100 oC). Es inmediato entender, entonces, que una de las causas que puede provocar la destrucción del polímero es el aumento de la temperatura.
Hay que tener en cuenta que no es lo mismo la estabilidad termodinámica que la estabilidad cinética. Por ejemplo, a temperatura ambiente y presión atmosférica, el diamante no es estable termodinámicamente, tendiendo a convertirse en grafito. Pero el proceso es extraordinariamente lento (se dice que su cinética es muy lenta). De forma análoga, el poliftalaldehído puede mantenerse estable por encima de su temperatura de techo durante un cierto tiempo.
Otro método de forzar la despolimerización es mediante un desencadenador insertado en el polímero. Se trata de una molécula, o bien uno o los dos monómeros terminales transformados químicamente, que, por un lado, estabilizan cinéticamente al polímero, pero, por otro, son capaces de poner en marcha el mecanismo de despolimerización al recibir un estímulo fisicoquímico (calor –pico o pulso térmico–, radiación UV, ácidos o bases, oxidantes o reductores…). Se ha demostrado que, si se utilizan los desencadenadores adecuados, la despolimerización completa del poliftalaldehído puede ocurrir casi instantáneamente en disolución y en solo unos minutos en estado sólido. Se ha probado también, con éxito, a insertar un pequeño led en ciertos objetos de plástico que se destruyen cuando el led se enciende, ya que la luz induce una reacción fotoquímica de despolimerización.
Estas propiedades han encontrado interesantes aplicaciones[2]. Por ejemplo, en la industria electrónica se recurre a la fotolitografía para crear circuitos integrados sobre obleas de semiconductores. Para ello se necesita una plantilla que tenga recortada la forma del circuito que se quiere obtener. El recorte se puede hacer, en vez de con un instrumento de corte mecánico, con un fino rayo de luz, ya que donde incide la luz el polímero sólido desaparece rápidamente por despolimerización. Esto también se puede conseguir por despolimerización térmica. Se usa para ello una microsonda que es capaz de calentar solo puntos microscópicos de una lámina del polímero. La figura 6.2 muestra un mapa de unos 20 mm de ancho trazado por este procedimiento en una lámina de poliftalaldehído. La resolución es extraordinaria.
Ciertos materiales estructurales llamados adaptativos se basan en estos polímeros. Por ejemplo, considérese un material formado por la unión de dos piezas de poliftalaldehído, cada una de ellas provista de su propio desencadenador. Esto permite despolimerizar selectivamente una u otra pieza, quedando la otra intacta. Una aplicación análoga consiste en utilizar el polímero como un elemento temporal en un sistema; cuando ya no es necesaria su presencia, simplemente se provoca su despolimerización. Así, se ha recurrido a esta estrategia para activar un bombeo de fluidos a escala microscópica destruyendo una microcompuerta de plástico. También se ha empleado el poliftalaldehído como soporte en dispositivos de electrónica transitoria, que son circuitos que se desea que se destruyan tras un cierto tiempo. Una función más de estos materiales es como películas protectoras temporales.
En medicina son muy útiles los polímeros despolimerizable porque se pueden implantar en el organismo como prótesis temporales o para ejercer cierta función curativa para posteriormente ser absorbidos. El poliftalaldehído no serviría para esta función porque su monómero es tóxico, pero sí otros materiales despolimerizables y biocompatibles como los de la familia de los poliglioxilatos.
El poliftalaldehído se ha empleado también en la creación de poros o canales en materiales nanoestructurados. Se pueden modificar las propiedades de estos según se necesite. Así, se han recubierto con estos polímeros nanotubos de carbono para hacerlos aislantes de la electricidad. Si se quiere que los nanotubos se vuelvan conductores basta provocar la despolimerización de la envoltura polimérica.
Por otro lado, se ha demostrado que en algunos casos es posible establecer un ciclo reversible de polimerización-despolimerización. Después de provocar la despolimerización con ultrasonidos se puede regenerar el polímero añadiendo cierto reactivo a temperatura más baja que la de techo.
La despolimerización se puede realizar no para provocar una función, sino simplemente con una intencionalidad química: generar in situ en un medio de reacción los monómeros para que sirvan de reactivos.
Estos polímeros también pueden servir como contenedores estructurales capaces de liberar agentes químicos cuando se desee. Por ejemplo, en medicina podrían usarse como dispensadores de medicamentos. Esto se puede hacer con polímeros cuya forma les permita alojar en su interior a otras moléculas. Cuando se activa el desencadenador, la despolimerización libera el fármaco encapsulado. O bien se pueden crear microcápsulas cuya capa exterior o membrana esté hecha de un plástico despolimerizable, pudiendo incluso controlarse la velocidad de liberación de su contenido[4].
Y, por supuesto, tienen la aplicación mencionada al inicio de este apartado: la destrucción de plásticos para su reciclado. Si el plástico es de poliftalaldehído se convertirá en sus monómeros, listos para ser reutilizados. Si un objeto está hecho de una mezcla de un plástico despolimerizable y otro tipo de plástico difícil de fragmentar, la despolimerización permitirá desmenuzar o incluso pulverizar el objeto. En la imagen 6.3 se muestra un ejemplo de despolimerización con fines de reciclado. Puede comprobarse que solo queda la huella de la presencia del polímero. (En otros polímeros, como ciertas poliolefinsulfonas, no quedaría ni rastro porque los productos de la despolimerización son muy volátiles).
Unos polímeros análogos a los despolimerizables son los autoinmolables[6]. La diferencia está en que los primeros rinden los monómeros de los que están formados y los segundos generan otros compuestos químicos. Por ejemplo, algunos polímeros expulsan gases como CO2, desapareciendo en el aire. Por otro lado, hay un tipo de plásticos semejantes a los que estamos tratando y que reciben el calificativo de biodegradables. Normalmente, estos se degradan mucho más lentamente que los despolimerizables.
[1] F. Wang, C. E. Diesendruck. Macromol. Rapid Commun. 39 (2018) 1700519. https://doi.org/10.1002/marc.201700519.
[2] J. Kaitz et al. MRS Commun. 5 (2015) 191-204. https://doi.org/10.1557/mrc.2015.28.
[3] Imagen: World’s Smallest 3D World Map. National Nanotechnology Initiative. https://www.nano.gov/node/733.
[4] A. M. DiLauro et al. Macromolecules 46 (2013) 3309-3313. https://doi.org/10.1021/ma400456p.
[5] Imagen: Paul Kohl. Disappearing act: Device vanishes on command after military missions. ACS Chemistry for Life. https://www.acs.org/pressroom/newsreleases/2019/august/disappearing-act-device-vanishes-on-command-after-military-missions-video.html.
[6] A. Sagi et al. J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 5434-5435. https://doi.org/10.1021/ja801065d.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
