Dra. Natalia Guerrero Alburquerque
ISSN 2660-9134 | Febrero 2021 | Volumen 6 | Artículo 1
Aerogeles de quitosano-urea fuertes, mecanizables y aislantes: Hacia el secado a presión ambiente de monolitos de aerogel de biopolímero
Seguro que en multitud de ocasiones habrás visto materiales gelatinosos tales como los flanes o la mermelada y te habrás preguntado, ¿Qué es esto? La respuesta es simple, se trata de un gel. Los geles son un tipo de polímero que forman un sistema coloidal al componerse de una fase continua sólida y una fase dispersa líquida, es decir, estamos hablando de un material semisólido. Las cadenas poliméricas están unidas débilmente, partiendo de esta premisa, ciertos elementos como temperatura, luz o acidez pueden provocar la ruptura temporal de estos enlaces. Posteriormente, dichas uniones vuelven a formarse, lo cual permite que la forma del material no varíe y sea susceptible a soportar contracciones.
El proceso por el cual se forma un gel se denomina gelación (que puede ser inducida física o químicamente). Los factores que juegan un papel fundamental en este mecanismo son la temperatura, la presión, la fuerza iónica, los cambios en el pH, la presencia de una enzima, así como la calidad del agente disolvente. Dentro del amplio abanico de tipos de geles, los hidrogeles ocupan un lugar destacado. Estas sustancias tienen multitud de aplicaciones en el ámbito de la agricultura, la industria alimenticia, la higiene personal y en la medicina, entre otras. Uno de los motivos para este variado repertorio de usos se justifica dado que su principal característica se fundamenta en hecho de que, como su fase sólida es agua, esto les permite aumentar su volumen (absorbiendo grandes cantidades de esta) sin llegar a disolverse.
En la actualidad, los materiales porosos tienen gran demanda, especialmente en la eliminación de residuos, como aislante térmico, en la creación de pigmentos, o en la confección de trajes para soportar temperaturas extremas. En estos usos recientes juegan un papel destacado los aerogeles. Intentando establecer diferencias respecto a los geles tradicionales, los primeros, básicamente, sustituyen la fase líquida mencionada anteriormente por aire u otro tipo de gas, lo que genera una espuma muy porosa. De tal forma, un aerogel puede considerarse un material mesoporoso (diámetro de poro entre 2 y 50 nm). Dentro de este grupo, los más tradicionales derivan del silicio o el carbono y, entre sus características más notables, destacan su gran resistencia a altas y bajas temperaturas, su aspecto muy transparente, su gran capacidad para absorber líquidos y su demandada utilidad como aislante acústico.
Para entrar en detalle en el estudio de los aerogeles, hemos tenido la suerte de poder entrevistar a la Dr. Natalia Guerrero-Alburquerque que trabaja en el Laboratorio de Materiales y Componentes Energéticos de Construcción (EMPA), en Suiza. A través de su artículo científico: “Strong, Machinable, and Insulating Chitosan−Urea Aerogels: Toward Ambient Pressure Drying of Biopolymer Aerogel Monoliths”. En dicho trabajo se realiza la síntesis de aerogel monolítico y mesoporoso, a través de quitosano modificado con urea, lo que le confiere unas excelentes características térmicas y mecánicas. Esto supone la apertura de nuevas metas para diferentes aplicaciones industriales y puede ser entendido como un hito importante hacia la comercialización masiva de estos biopolímeros aerogeles a medio plazo.
El proceso por el cual se forma un gel se denomina gelación (que puede ser inducida física o químicamente). Los factores que juegan un papel fundamental en este mecanismo son la temperatura, la presión, la fuerza iónica, los cambios en el pH, la presencia de una enzima, así como la calidad del agente disolvente. Dentro del amplio abanico de tipos de geles, los hidrogeles ocupan un lugar destacado. Estas sustancias tienen multitud de aplicaciones en el ámbito de la agricultura, la industria alimenticia, la higiene personal y en la medicina, entre otras. Uno de los motivos para este variado repertorio de usos se justifica dado que su principal característica se fundamenta en hecho de que, como su fase sólida es agua, esto les permite aumentar su volumen (absorbiendo grandes cantidades de esta) sin llegar a disolverse.
En la actualidad, los materiales porosos tienen gran demanda, especialmente en la eliminación de residuos, como aislante térmico, en la creación de pigmentos, o en la confección de trajes para soportar temperaturas extremas. En estos usos recientes juegan un papel destacado los aerogeles. Intentando establecer diferencias respecto a los geles tradicionales, los primeros, básicamente, sustituyen la fase líquida mencionada anteriormente por aire u otro tipo de gas, lo que genera una espuma muy porosa. De tal forma, un aerogel puede considerarse un material mesoporoso (diámetro de poro entre 2 y 50 nm). Dentro de este grupo, los más tradicionales derivan del silicio o el carbono y, entre sus características más notables, destacan su gran resistencia a altas y bajas temperaturas, su aspecto muy transparente, su gran capacidad para absorber líquidos y su demandada utilidad como aislante acústico.
Para entrar en detalle en el estudio de los aerogeles, hemos tenido la suerte de poder entrevistar a la Dr. Natalia Guerrero-Alburquerque que trabaja en el Laboratorio de Materiales y Componentes Energéticos de Construcción (EMPA), en Suiza. A través de su artículo científico: “Strong, Machinable, and Insulating Chitosan−Urea Aerogels: Toward Ambient Pressure Drying of Biopolymer Aerogel Monoliths”. En dicho trabajo se realiza la síntesis de aerogel monolítico y mesoporoso, a través de quitosano modificado con urea, lo que le confiere unas excelentes características térmicas y mecánicas. Esto supone la apertura de nuevas metas para diferentes aplicaciones industriales y puede ser entendido como un hito importante hacia la comercialización masiva de estos biopolímeros aerogeles a medio plazo.
My Scientific Journal. Varios de tus trabajos publicados se centran en aerogeles biopoliméricos, ¿podrías describirnos qué es un aerogel biopolimérico y cuáles pueden ser sus principales aplicaciones?Natalia Guerrero AlburquerqueNací en Marbella y desde pequeña me atrajo la química, hacía experimentos infantiles con mis padres y posteriormente en el instituto tuve un profesor de química, Pedro, que me terminó de inculcar su pasión por ella, así que acabé estudiando la carrera de química en Granada. Casi a punto de terminar me concedieron una Eramus para ir un años a Freiburg im Breisgau (Alemania), fue lo mejor que me pudo pasar.
Dra. Natalia Guerrero Alburquerque
MSCJ. En números anteriores de My Scientific hemos hablado con otros/as investigadores/as que también trabajan con materiales porosos como zeolitas o MOFs. ¿Qué diferencias y ventajas hay entre estos materiales porosos y los que tú estudias, los aerogeles? NGA. La principal diferencia entre las zeolitas, MOFs y los aerogeles, es que los dos primeros se tratan de materiales cristalinos, en su mayoría microporosos, formados en el caso de las zeolitas normalmente por un mineral de aluminosilicato y en los MOFs por iones metálicos unidos por ligandos orgánicos, mientras que los aerogeles son materiales amorfos, inorgánicos u orgánicos, con un rango de porosidad más amplio, pero siendo mayormente mesoporosos y que se obtienen a partir del secado de un gel. De forma general, las zeolitas y los MOFs son utilizados principalmente en adsorción y en catálisis, debido a sus características microporosas y de gran superficie específica. Los aerogeles debido a su mesoporosidad, tienen la ventaja de que el efecto Knudsen produce una reducción en la conductividad térmica de los gases contenidos en sus poros haciendo de ellos, materiales con excepcionales propiedades termoaislantes. Es esta por el momento también la característica más explotada en la industria de los aerogeles.MSCJ. En tu trabajo publicado en ACS Applied Materials & Interfaces (cita) describes la síntesis y preparación de aerogeles biopoliméricos empleando quitosano como principal materia prima, compuesto derivado de los exoesqueletos de gambas y cangrejos. ¿Qué ventajas ofrece el empleo de quitosano?NGA. La principal ventaja del quitosano es que proviene de la quitina, que es el segundo biopolímero natural más abundante del mundo. Anualmente se producen millones de toneladas de residuos provenientes de estos exoesqueletos que acaban en vertederos o en el océano. Así, reciclando este material de desecho se pueden reducir costes de eliminación, contaminación y generar ingresos adicionales con su reutilización. Con ello también conseguimos que el proceso de producción de los aerogeles sea más sostenible y ecológico. Además, el quitosano cuenta con propiedades únicas, como sus amino grupos de fácil accesibilidad y protonabilidad, que le infieren de una amplia gama de posibilidades químicas, como por ejemplo la funcionalización y la reticulación, que son claves en la reacción del quitosano con la urea en nuestros aerogeles y en su estructura final.MSCJ. Siguiendo con este estudio, también empleáis urea como funcionalizador-reticulador del quitosano. ¿Cómo influye en la fabricación final del aerogel? ¿Existen mejoras en las propiedades y/o aplicaciones finales del aerogel?NGA. Queríamos utilizar un precursor sostenible y de origen biológico, como alternativa a los reticuladores tóxicos como el formaldehido, glutaraldehido etc, que se utilizan comúnmente para producir aerogeles de quitosano. Y así, poder continuar con un proyecto lo más ecológico posible. La urea era una candidata perfecta, siendo además conocida por ser usada ampliamente en los años 30 como reticulador en la producción de poliurea, en un proceso similar al que nosotros queríamos llevar a cabo, con la diferencia de que la policondensación de poliurea se llevaba a cabo a temperaturas de aproxiamdamente 200 ºC y nuestro proceso se lleva a cabo a temperaturas mucho más suaves de entre 70-80 ºC. La urea provee al aerogel de quitosano de una estructura mesoporosa super estable, que hace posible su secado por simple evaporación, sin ser necesario usar secado supercrítico y abriendo la puerta a una producción más rentable por parte de la industria. Además, estos aerogeles monolíticos de quitosano-urea presentan una conductividad térmica más baja que la de los materiales aislantes convencionales, son muy resistentes a altas temperaturas y no arden al estar expuestos a una llama, sino que se carbonizan auto extinguiéndose al apartar la fuente de calor. Por último, muestran unas excepcionales propiedades mecánicas, se les puede incluso dar forma cortándolos y taladrándolos sin que el aerogel se fracture. Todas estas propiedades amplían notablemente el potencial de aplicación de estos aerogeles biopolímericos, como, por ejemplo, para aislantes térmicos o en aplicaciones biomédicas. De hecho, en un par de investigaciones recientes, se están aplicando nuestros aerogeles para estudios antibacterianos y en un segundo estudio más avanzado, se han utilizado con bastante éxito para un sistema de bombas pasivas de gas en miniatura, dónde la estabilidad térmica del aerogel juega un papel fundamental. Finalmente, se espera poder utilizar este nuevo sistema en aplicaciones como el mapeo de la calidad del aire, eliminación de la polución y sensores de gas. MSCJ. Te formaste como química en Granada, pero rápidamente diste el salto al extranjero, y actualmente te encuentras desarrollando tu proyecto de tesis doctoral en Suiza. Además, eres fundadora y vicepresidenta de ACECH (Asociación de Científicos Españoles en la Confederación Helvética), lo que nos muestra el compromiso que tienes con la ciencia y los investigadores. Nos gustaría que nos dieses tu visión, ¿cómo es la investigación fuera de España, y cómo ha sido tu experiencia personal en relación a realizar el doctorado en el extranjero?NGA. Antes de realizar mi doctorado, estuve trabajando como científica especialista en polímeros y revestimientos en una universidad aplicada, en un laboratorio en el que nos dedicábamos a dar soluciones a empresas privadas. Tanto en Suiza como en Alemania, los dos países dónde he desarrollado gran parte de mi carrera científica, la empresa privada y los estamentos públicos (universidades, centros de investigación públicos, etc) tienen una relación tan estrecha y sólida, que casi no se entiende la una sin la otra. Estar en un país que invierte tanto en I+D se nota en muchísimas cosas, por ejemplo, en la visión que tiene la sociedad en general de la ciencia, que la consideran parte fundamental de su economía y cultura. Se valora y se respeta mucho a los científicos. Es por esto también, que Suiza atrae a mucho talento internacional, con lo que es normal encontrarse con grupos de investigación en los que cada miembro venga de un país. En mi grupo, por ejemplo, hemos llegado a tener hasta 20 nacionalidades distintas y esto aporta experiencias muy diversas, y tener la oportunidad de saber cómo trabajan en otros países. Por otro lado, un doctorado aquí, se paga como un sueldo medio normal que da para vivir perfectamente. Otra experiencia fue que durante nuestros doctorados, mi marido y yo, tuvimos a nuestra hija, y el fondo nacional suizo para la investigación científica que subvencionaba mi doctorado contaba con un programa especial para doctorandos con hijos que sufragaba una parte sustancial de los gastos de guardería, siendo esto una gran ayuda, porque hay que tener en cuenta que en Suiza las guarderías son privadas y extremadamente caras (aprox. 120 chf/día) lo que imposibilitaría en muchos casos poder seguir con la tesis. Mi experiencia general tanto en el doctorado, como en los años que llevo en el extranjero (Alemania y Suiza) han sido en su mayoría muy positivos.Referencias
David Díaz Díaz (2006). “Los geles: una maravilla de la Ciencia al servicio de la Sociedad” en “Un breve viaje por la ciencia”. pags 19-24. ISBN 84-96487-15-6.
Area Tecnología: “AEROGEL”.https://www.areatecnologia.com/materiales/aerogel.html
Natalia Guerrero-Alburquerque, Shanyu Zhao, Nour Adilien, Matthias M. Koebel, Marco Lattuada, y Wim J. Malfait (2020). “Strong, Machinable, and Insulating Chitosan−Urea Aerogels: Toward Ambient Pressure Drying of Biopolymer Aerogel Monoliths”. ACS Applied Materials & Interfaces 12 (19), pags 22037-22049. DOI: 10.1021/acsami.0c03047
Documentación y entrevista
Entrevistador: Jose Luis Cerrillo Olmo Introducción realizada por: Rafa García Luque para My Scientific Journal 08/02/2021
Jose Luis Cerrillo Olmo Redactor My Scientific Journal
Rafa García LuqueRedactor My Scientific Journal
