Descobreixen un biomaterial resistent a l’aigua, que augmenta la seva força quan es mulla i podria substituir el plàstic

ACN Barcelona – Un estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) ha descobert un nou biomaterial resistent a l’aigua, que augmenta la seva força quan es mulla i que podria tenir aplicacions innovadores. Es produeix mitjançant la incorporació de níquel en l’estructura del quitosan, un polímer derivat de la quitina extreta de les closques de gambes. La investigació, publicada a ‘Nature Communications’, ha demostrat que el material pot aprofitar l’aigua que l’envolta per aconseguir un rendiment mecànic superior, trencant així el paradigma de l’era del plàstic, que se centra en aïllar els materials del medi ambient. Podria tenir aplicacions en en l’agricultura, el material de pesca, l’embalatge, o altres sectors sostenibles.
Els plàstics han esdevingut essencials en la societat moderna per la seva durabilitat i resistència a l’aigua. Tanmateix, aquestes mateixes propietats els converteixen en agents persistents de contaminació, acumulant-se en els ecosistemes i apareixent cada vegada més en les cadenes alimentàries. Aquesta situació ha generat alarma sobre els efectes potencialment nocius del plàstic en la salut humana i ha posat de relleu la necessitat d’alternatives sostenibles.

En un esforç per abordar aquest repte, s’ha explorat àmpliament l’ús de biomaterials com a alternativa als plàstics convencionals. La seva adopció, però, s’ha vist limitada per un inconvenient fonamental: la majoria dels materials biològics es debiliten quan s’exposen a l’aigua. Tradicionalment, això ha obligat els enginyers a recórrer a modificacions químiques o recobriments protectors, minvant els avantatges ecològics dels biomaterials.

Ara, un estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), en col·laboració amb la Singapore University of Technology and Design (SUTD), ha invertit aquest paradigma. Inspirant-se en la cutícula dels artròpodes, els investigadors han adaptat el quitosan, la segona molècula orgànica més abundant després de la cel·lulosa, per crear un material biointegrat que augmenta la seva força quan es mulla, assolint valors molt superiors als dels plàstics convencionals.

Javier G. Fernández, investigador principal del grup de Materials i Enginyeria Biointegrats de l’IBEC, ha explicat que “el material continua sent biològicament pur als ulls de la natura; continua essent essencialment la mateixa molècula que es troba en les closques dels insectes o en els fongs”. Aquesta puresa permet reintegrar perfectament el material als cicles ecològics sense necessitat de recuperació i obre la porta a una producció de residu zero tant de consumibles com d’objectes de gran mida.

L’estudi s’ha inspirat en una observació fortuïta: quan s’elimina el zinc dels ullals del cuc de sorra Nereis virens, aquests es tornen fràgils en submergir-los en aigua. Aquesta troballa ha indicat que els metalls poden jugar un paper clau en la interacció dels materials naturals amb l’aigua. Els investigadors han incorporat níquel al quitosan, derivat de les deixalles de closques de gambes, i l’han processat en pel·lícules primes. Els experiments han mostrat que el material augmenta la seva força fins a un 50% quan s’immergeix en aigua.

En aquest nou material, l’aigua actua com un component estructural actiu. Una xarxa d’enllaços febles i reversibles es trenca i es torna a formar contínuament gràcies a la mobilitat dels ions de níquel i de les molècules d’aigua circumdants. Aquesta reconfiguració constant permet al material absorbir la tensió mecànica i reorganitzar-se, imitant les estructures biològiques naturals.

L’estudi ha desenvolupat també un procés de fabricació de residu zero. Durant la immersió inicial, la major part del níquel que no contribueix als enllaços estructurals s’allibera. En lloc de rebutjar-lo, l’equip ha dissenyat un cicle en què aquest níquel serveix de matèria primera per a la següent tanda, aconseguint una eficiència del 100% i reduint de manera significativa l’impacte ambiental i els costos. Fernández ha indicat que la quitina es produeix a escala global en cent mil milions de tones anuals, cosa que equival a tres segles de producció de plàstic, i que pot obtenir-se també localment a partir de residus orgànics urbans o subproductes fúngics.

Aplicacions possibles

S’espera que les primeres aplicacions apareguin en agricultura, material de pesca i embalatge, així com en altres sectors que necessiten materials biodegradables amb capacitat per interactuar amb l’aigua. L’equip ha prioritzat l’escalabilitat industrial i els costos, centrant-se inicialment en aplicacions agrícoles. Tant el níquel com el quitosan compten amb aprovació de la FDA per a determinats usos mèdics, cosa que podria permetre aplicacions en l’àmbit sanitari, inclosos recobriments impermeables per a biomaterials.

Els experiments han demostrat que el material pot formar recipients estancs, com gots i làmines de gran mida, reforçant el seu potencial per substituir alguns plàstics d’un sol ús. Fernández ha assenyalat que és probable que el níquel no sigui l’única molècula capaç de generar aquest efecte, i que el principi descobert obre la porta a explorar altres combinacions per reforçar biomaterials amb aigua.

L’equip de l’IBEC ha conclòs que aquest descobriment representa un canvi de mentalitat respecte a l’era del plàstic. En lloc d’obligar les molècules biològiques a comportar-se com a materials sintètics, els investigadors han adoptat la lògica dels sistemes naturals: estructures dinàmiques, producció regional, integració ecològica i zero residus, amb un enfocament que podria transformar la fabricació de materials sostenibles.