Transformando el polietileno: de la funcionalización a las propiedades antibacterianas para aplicaciones sostenibles

El polietileno (PE) es uno de los materiales plásticos más utilizados y versátiles a nivel mundial, apreciado por su rentabilidad, propiedades livianas y facilidad de conformabilidad. Estas características hacen que el PE sea indispensable en un amplio espectro de aplicaciones, desde materiales de embalaje hasta plásticos estructurales.

Sin embargo, a pesar de su utilidad generalizada, la inercia química inherente del PE limita su funcionalidad en aplicaciones avanzadas, lo que frena su potencial para usos más innovadores.

Para desbloquear este potencial, es esencial introducir grupos funcionales polares en el PE, lo que puede mejorar significativamente sus propiedades y abrir puertas a nuevas aplicaciones. Este desafío se ha convertido en un foco importante en la química de polímeros, donde el desarrollo de métodos eficientes para modificar el PE ha despertado un interés cada vez mayor.

Uno de los principales obstáculos para modificar el PE es su resistencia química, lo que dificulta su funcionalización mediante métodos convencionales. Esta inercia también contribuye a la acumulación de residuos de PE en los vertederos, lo que plantea un grave desafío medioambiental. A medida que la contaminación plástica continúa amenazando los ecosistemas en todo el mundo, es imperativo encontrar formas de reciclar o reciclar el PE para convertirlo en productos valiosos.

Aunque existen algunos enfoques para modificar el PE, a menudo carecen de escalabilidad o eficiencia, lo que subraya la necesidad de soluciones innovadoras que equilibren el impacto ambiental con los beneficios funcionales de este plástico omnipresente.

Entre las diversas estrategias disponibles, la aminación se ha convertido en uno de los métodos más prometedores para modificar la PE.

Pero ¿por qué centrarse en las aminas?

Las aminas son grupos a base de nitrógeno con uno o más átomos de hidrógeno unidos en forma de enlaces NH. Estos grupos NH pueden formar enlaces de hidrógeno, lo que permite interacciones entre cadenas de polímeros. Esto no sólo mejora la reactividad química del polímero sino que también mejora su rendimiento en una variedad de aplicaciones, desde adhesivos hasta recubrimientos.

Sin embargo, lograr una funcionalización eficiente del PE con aminas ha sido un desafío importante; la mayoría de los métodos requieren múltiples pasos que consumen mucha energía o corren el riesgo de degradar las propiedades del polímero.

En consecuencia, el progreso hacia un método eficaz y escalable para aminar PE ha sido limitado. En particular, la conversión de los grupos NH del PE aminado en otras especies podría ampliar aún más la gama de aplicaciones del PE.

Aquí es donde mi investigación, como becaria postdoctoral en el grupo Schafer de la Universidad de Columbia Británica, da un audaz salto adelante.

A través de una extensa exploración, me concentré en un proceso catalítico llamado hidroaminoalquilación para aminar PE de manera eficiente. Esta técnica, anteriormente utilizada para modificar polipropileno, resultó prometedora para transformar PE mediante una reacción simple de un solo paso.

el trabajo es publicado en el diario Angewandte Chemie Edición Internacional.

La ventaja de este método radica en su eficiencia: funciona en condiciones suaves y sin disolventes y evita la degradación inducida por radicales que se observa en los métodos convencionales. Al aplicar este enfoque al polietileno terminado en vinilo (VTPE), generosamente proporcionado por mi socio industrial NOVA Chemicals, creé con éxito PE funcionalizado con amina con pasos de reacción mínimos, mejorando la escalabilidad y la rentabilidad.

En la Universidad de Columbia Británica, mis colegas del grupo Hatzikiriakos realizaron pruebas reológicas y mecánicas en mi PE aminado. Descubrieron que la introducción de grupos amina no sólo modificaba las propiedades químicas del PE sino que también afectaba sus características físicas.

Por ejemplo, la temperatura de cristalización del PE modificado aumentó, lo que indica interacciones intermoleculares más fuertes dentro del polímero debido a los grupos amina. Los grupos amina también aumentaron la hidrofilicidad del material (o atracción por el agua), ya que los enlaces NH pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua.

Tradicionalmente, reciclar PE ha sido un desafío debido a su inercia química, pero este nuevo enfoque nos permite reciclar los desechos de PE y convertirlos en recursos valiosos. La aminación de residuos de PE es muy prometedora para la sostenibilidad, ya que permite reutilizarlo y reutilizarlo para diversas aplicaciones.

Ahora, imagine un mundo en el que no necesite desinfectarse las manos cada vez que toque una superficie, una preocupación común durante la pandemia de COVID-19. Éste es el problema que pretendía abordar en mi estudio.

Así es como la aminación puede producir un efecto antibacteriano: convertí los grupos amina del polímero en grupos amonio cargados positivamente tratando el PE aminado con una solución de clorhidrato. Dado que las bacterias tienen membranas celulares cargadas negativamente, se sienten atraídas naturalmente por los grupos amonio cargados positivamente.

Esta interacción electrostática altera la membrana celular bacteriana y, en última instancia, mata las bacterias. Después de esta transformación, mis colaboradores de la Universidad de Calgary, el equipo de Heyne, expusieron el polímero modificado a la bacteria Staphylococcus aureus. El polímero mató todas las bacterias en un corto tiempo de exposición.

En esencia, desarrollé un polímero antibacteriano que tiene potencial para usarse como recubrimiento en superficies cotidianas, ofreciendo una manera de prevenir la propagación de gérmenes sin la necesidad de una desinfección constante.

Esta historia es parte de Diálogo Ciencia Xdonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta pagina para obtener información sobre Science X Dialog y cómo participar.

Soy becario postdoctoral en la Universidad de Columbia Británica en el grupo Schafer. Mi investigación se centra en el diseño de catalizadores para la hidroaminoalquilación de poliolefinas. Antes de mi posdoctorado, había completado mi doctorado. en química inorgánica y catálisis en la Universidad de Ottawa, en el grupo Baker.