Científicos desarrollan estrategias para la solubilización de la celulosa

Estudios de las interacciones intermoleculares y de los mecanismos de disolución de este polímero a cargo de investigadores de la Universidad de Lund pueden contribuir a la expansión de sus aplicaciones químicas

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – La celulosa, el material natural más abundante en la Tierra y que se emplea como materia prima para la fabricación de papel, está subutilizada en su carácter de insumo en ciertos procesos químicos. Una de las razones de esto reside en que muchas de sus aplicaciones químicas comprenden su disolución, pero este polímero es insoluble en agua y en muchos solventes orgánicos (sustancias solubilizadoras).

Con el objetivo de intentar romper esa barrera, Björn Lindman, docente del Departamento de Fisicoquímica de la Lund University, en Suecia, ha venido dedicándose durante los últimos años a avanzar en el conocimiento y a desarrollar estrategias que permitan solubilizar la celulosa.

Y algunos de los resultados más recientes de sus investigaciones se conocieron el pasado 31 de octubre, durante su conferencia en la Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada sobre Coloides.

Este evento, apoyado por la FAPESP en la modalidad Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA), tuvo lugar entre los días 28 de octubre y 7 de noviembre en la Unicamp –la Universidad de Campinas−, y en el CNPEN –el Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (también con sede en la ciudad de Campinas)−, con actividades en el Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP, en São Paulo), todos en Brasil. Participaron en el encuentro 94 estudiantes de posgrado y jóvenes investigadores, de los cuales 52 eran brasileños y 42 extranjeros.

“El avance en el conocimiento y el desarrollo de estrategias destinadas a la disolución de la celulosa permitieron mejorar la utilización de este material en aplicaciones como la regeneración de fibras de celulosa, y promover reacciones químicas homogéneas orientadas al desarrollo de materiales ‘verdes’ y productos químicos y el desarrollo de materiales compuestos [la combinación de materiales distintos] tales como nanocelulosa y revestimientos”, dijo Lindman.

De acuerdo con el investigador, una de las explicaciones halladas en la literatura en lo que concierne a la insolubilidad de la celulosa en el agua reside en la capacidad de este polímero para formar cuantiosas y fuertes uniones de hidrógeno intra e intermoleculares.

Esta explicación sugiere que la clave para la solución de este problema de la solubilidad de la celulosa consistiría en hallar un solvente que pueda destruir efectivamente las uniones de hidrógeno existentes entre las cadenas de la celulosa.

Pero la rotura de las uniones de hidrógeno intra e intermoleculares de la celulosa deriva en la formación de uniones de hidrógeno entre la celulosa y el agua, que son tan fuertes como las primeras, de acuerdo con Lindman.

“Esto nos lleva a la conclusión de que las uniones de hidrógeno entre las cadenas en la celulosa no constituyen la fuerza motriz y no explican la baja solubilidad acuosa de este polímero. Pueden estar implicados otros factores”, dijo.

Al estudiar las interacciones intermoleculares de la celulosa y los mecanismos de disolución del polímero, el investigador, en colaboración con colegas de la Universidad de Algarve, en Portugal, observó que la celulosa es significativamente anfifílica, es decir, presenta una región polar o hidrofílica (que se disuelve en el agua) y otra apolar o hidrofóbica (que no se disuelve en el agua).

“Constatamos que las interacciones hidrofóbicas de la celulosa cumplen un rol significativo en la estructura cristalina y son importantes para explicar la baja solubilidad acuosa del material”, dijo Lindman.

Con base en análisis de la estructura de cristales de celulosa, los científicos verificaron que, debido a las uniones de hidrógeno intra e intermoleculares, ocurre una formación de cintas bastante planas en el material, con lados que difieren acentuadamente en su polaridad.

Los lados hidrofóbicos tendrían una gran tendencia a mantenerse unos con otros en un ambiente acuoso, contribuyendo así a la baja solubilidad de la celulosa.

Con base en estas constataciones, los investigadores estimaron que la solubilidad de la celulosa se vería facilitada en solventes que también son anfifílicos, es decir, que tienen partes polares y no polares, tales como los electrolitos con un ion altamente polarizable y el N-óxido de N-metilmorfolina (NMMO).

Los compuestos cosolutos (que también se disuelven), como la urea y sus derivados y el polietilenoglicol, que tienen una tendencia a debilitar las interacciones hidrofílicas, y otros surfactantes (sustancias anfifílicas) también pueden contribuir para promover la solubilidad acuosa de la celulosa, según estimaron los investigadores.

“Estos descubrimientos abrieron las puertas para el desarrollo de estrategias tendientes a la disolución de la celulosa distintas a las basadas en la rotura de los puentes de hidrógeno para inducir o aumentar la solubilidad del material”, dijo Lindman.

Los sistemas coloidales

Durante la Escuela se discurrió sobre diversos tipos de coloides, que son sustancias finamente dispersas en otras, normalmente un solvente. El tamaño de las partículas halladas en una dispersión coloidal varía entre 1 y 1.000 nanómetros (la milmillonésima parte de un metro). Ambos componentes son referidos como fase dispersa y fase continua respectivamente. Cualquier fase puede ser un sólido, un líquido o gas, lo cual crea así una gama de posibles sistemas coloidales.

Existen en la naturaleza muchos coloides, mientras que otros son elaborados por el hombre. Son ejemplos la leche (grasa líquida dispersa como gotas finas en una fase continua acuosa), el humo (partículas sólidas dispersas en el aire), los huesos (pequeñas partículas de fosfato de calcio dispersas en una matriz sólida de colágeno), las pinturas (pequeñas partículas sólidas dispersas en un solvente) y las cremas de afeitar (minúsculas burbujas de aire dispersas por el jabón líquido).

“Los coloides constituyen la base de la nanociencia y la nanotecnología. Esta Escuela aborda las diferentes técnicas con miras a caracterizar e investigar esos sistemas que son muy utilizados en la industria cosmética y de fórmulas y medicamentos, por ejemplo”, dijo Watson Loh, docente del Instituto de Química de la Unicamp y coordinador de la ESPCA sobre Coloides.

El programa de la ESPCA sobre Coloides abordó aspectos fundamentales de los sistemas coloidales, seguidos de la conferencia y de actividades prácticas que abarcaron las técnicas experimentales de dispersión (luz, rayos X y neutrones), microscopía (electrónica, criogénica), fluorescencia, caracterización de superficies y simulación mediante dinámica molecular.

“La programación transcurrió en tres centros: Unicamp, CNPEN y USP. Los alumnos aprendieron la técnica de microscopía crioelectrónica, una técnica que ganó el Nobel de Química del año pasado. El Laboratorio Nacional de Nanotecnología se encuentra abocado a la adquisición del equipamiento necesario para su aplicación. Utilizamos también una línea del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón para realizar experimentos en el propio anillo, aparte de conocer la nueva fuente de luz sincrotrón brasileña, del proyecto Sirius. Los alumnos tuvieron contacto con lo que se ubica en la frontera del conocimiento”, dijo Loh, quien también es miembro de la Coordinación Adjunta – Equipos Multiusuarios (EMU) de la FAPESP.

Tan pronto como concluyó la ESPCA sobre Coloides se puso en marcha la 6th Meeting on Self Assembly Structures In Solution and at Interfaces, realizada entre los días 7 a 9 de noviembre en la localidad de São Pedro, en el estado de São Paulo. Según Loh, hubo una sinergia tanto de conferencistas como de alumnos entre ambos eventos.

“Como el área de estudio en coloides es transdisciplinaria, se pudo brindar una doble oportunidad de reunir a todos esos expertos”, dijo.