viernes 23 de octubre de 2020

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LA BIOLOGÍA INSPIRA UNA EVOLUCIÓN EN PLÁSTICOS (R)

Mucho Antes De Que Los Humanos Habitaran La Tierra, Los Ecosistemas Prístinos Estaban Repletos De

LA BIOLOGÍA INSPIRA UNA EVOLUCIÓN EN PLÁSTICOS (R)
 
 

Espere. ¿Qué?

Según el diccionario de Miriam-Webster, plástico generalmente significa materiales que son "capaces de adaptarse a diferentes condiciones; flexible."

Con eso en mente, eche un vistazo al mundo natural que lo rodea. Los organismos, desde plantas e insectos hasta reptiles y mamíferos, son un desfile de moda de materiales "plásticos" que trasciende París en una asombrosa variedad de diseños, diseños que no solo se ven hermosos, sino que cumplen el mismo conjunto de funciones que exigimos de nuestro sintético, Plásticos comerciales. Aunque los plásticos sintéticos están asociados con la era industrial moderna, las funciones que cumplen son tan antiguas como la vida misma. Los organismos abundan en materiales livianos que contienen líquidos, protegen del impacto, se comunican a través de señales visuales, preservan lo que hay dentro al administrar oxígeno, humedad, microbios, etc.

Contempla los materiales de la naturaleza. Hay algunos blandos , como la mucosidad viscosa secretada por las babosas que permiten que la criatura sin apéndices se mueva a lo largo de una superficie sólida. La mucosidad alterna reversiblemente entre estados líquidos semisólidos y lubricantes dependiendo de la cantidad de presión ejercida sobre él por las contracciones de la babosa. El “plástico” de las babosas es principalmente agua, pero también está compuesto de proteínas, carbohidratos y minerales.

Los materiales suaves y elásticos , como la piel de los mamíferos, permiten movimientos sin restricciones, controlan la humedad dentro y fuera del cuerpo, protegen de los microbios, se curan por sí mismos y permiten una sensación de tacto. El “plástico” de la piel está compuesto principalmente de colágeno, otras proteínas, carbohidratos, grasas y agua.

Los materiales flexibles , como las hojas, regulan la humedad y los gases dentro y fuera de la planta, protegen de los factores ambientales y cosechan energía de la luz solar para producir azúcar y una variedad de otros compuestos útiles. El “plástico” de las hojas está compuesto principalmente de celulosa, otros carbohidratos, proteínas, polifenoles, minerales y agua.

Los materiales rígidos , como los exoesqueletos de escarabajos, controlan la humedad dentro y fuera del organismo, protegen del impacto, depredadores y microbios, y proporcionan una superficie para la señalización visual. El “plástico” exoesquelético está hecho principalmente de quitina, junto con otros carbohidratos, proteínas, minerales y agua.

Los materiales duros , como las conchas marinas, protegen contra impactos, grietas y depredadores. El “plástico” de concha está hecho principalmente de cristales minerales de carbonato de calcio, pero también contiene proteínas, carbohidratos y agua.

Irónicamente, los plásticos comerciales de hoy surgieron de un esfuerzo por reemplazar el uso de materiales "plásticos" biológicos a mediados del siglo XIX y principios del XX. El celuloide (una forma de celulosa químicamente alterada) se inventó para reemplazar el marfil utilizado para las bolas de billar. La baquelita, el primer plástico sintético derivado únicamente de insumos no biológicos, se inventó para reemplazar la goma laca utilizada como aislante eléctrico, y el nylon se inventó durante la Segunda Guerra Mundial para reemplazar la seda. El auge económico de los Estados Unidos posteriores a la Segunda Guerra Mundial llevó a un aumento dramático en la demanda de plásticos sintéticos baratos. "Los humanos ahora usan un millón de botellas de plástico por minuto y 500 mil millones de bolsas de plástico al año". (fuente: Planet Plastic ). ¿A dónde va todo ese plástico cuando terminamos de usarlo? 

La contaminación plástica oceánica se documentó por primera vez en la década de 1960 durante una década en la que el impacto de la expansión industrial desenfrenada revelaba la falsa suposición de que "la dilución es la solución a la contaminación". Rachel Carson documentó el impacto del uso de pesticidas y el cambio climático (sí, incluso en aquel entonces) en la vida silvestre; El río Cuyahoga contaminado de Ohio se incendió varias veces; desechos químicos enterrados descuidadamente percolados en los sótanos de hogares suburbanos en Love Canal, Nueva York; Las principales ciudades de EE. UU. se estaban ahogando con el smog, y la gasolina con plomo cubría a la nación con el elemento tóxico. Si bien la llegada de las regulaciones ambientales ayudó a revertir muchos de esos males, los plásticos sintéticos convencionales han seguido aumentando.

Hoy sabemos que incluso el gran volumen de los océanos del mundo no es suficiente para diluir décadas de fabricación, uso y eliminación de plásticos convencionales continuos. Abundan las imágenes de los giros de plástico en todos los océanos del mundo y el impacto que está teniendo en la vida silvestre.

La buena noticia es que estamos listos para cerrar la historia: volver a la naturaleza como modelo, mentor y medida de cómo evolucionar de los plásticos convencionales a materiales novedosos y bioinspirados que brinden las características funcionales que necesitamos mientras estar en sincronía con la naturaleza. 

Al igual que la industria, la naturaleza depende de la química para fabricar, usar y administrar sus materiales, pero a diferencia de la industria, sus procesos químicos y materiales no solo evitan la contaminación durante todo su ciclo de vida, sino que crean condiciones propicias para la vida. Los “plásticos” naturales se descomponen en materiales de partida que nutren los ecosistemas que los crearon en primer lugar.

¿Cómo es posible que la naturaleza pueda hacer materiales que sean tanto de alto rendimiento como amigables con la vida? La respuesta es doble:

Dos Principios Clave Que Subyacen A Los Materiales De Alto Rendimiento Y Amigables Con La Vida

Composición : la naturaleza usa alrededor de 30 elementos en la tabla periódica, mientras que la industria usa más del doble de ese número para lograr las mismas funciones. Como se evidenció anteriormente, casi todos los materiales de la naturaleza, desde conchas duras, hasta hojas flexibles, hasta tejidos blandos, son compuestos de proteínas, carbohidratos, minerales y otros biopolímeros. La proporción relativa de los ingredientes contribuye a la funcionalidad general del material, y

Arquitectura : en lugar de depender únicamente de la química, la naturaleza depende en gran medida de estructuras 3D jerárquicas microscópicas sofisticadas y elegantes para lograr la funcionalidad a través de disposiciones, distribuciones, dimensiones y orientaciones variadas de las unidades de construcción. 

Si bien los materiales hechos por el hombre a menudo son uniformes en todas sus dimensiones, los materiales de la naturaleza a menudo exhiben gradientes donde la composición y / o la arquitectura cambian en diferentes puntos dentro de un solo material para satisfacer las necesidades en los sitios locales. Por ejemplo, hay una concentración gradualmente más alta de minerales a base de azufre hacia la cara llamativa del mazo de dáctilo del camarón mantis, lo que imparte una mayor dureza y tenacidad en el punto donde el mazo golpea a la presa deseada.

Una vista microscópica de la sección transversal del tallo de una planta muestra claramente un gradiente arquitectónico. La densidad y el diámetro de las células, su orientación (es decir, disposición paralela o perpendicular en relación con la superficie exterior) y el grosor de la capa varían a lo largo del diámetro del tallo. En conjunto, esta arquitectura no uniforme de las células da lugar a la resistencia estructural del tallo, la capacidad de doblarse sin doblarse y otras características.

Dentro del grosor de medio milímetro (aproximadamente el ancho de 4 cabellos humanos), el exoesqueleto de un gorgojo está compuesto por muchas capas del mismo material (principalmente quitina). Juntos, el grosor variable de cada capa y las direcciones, diámetros y orientaciones alternativas de las fibras de quitina imparten al exoesqueleto la capacidad de proteger el contenido interno del organismo del impacto, gestionar el intercambio de humedad y gases, y enviar un mensaje colorido al exterior. mundo. Al usar el mismo material biodegradable en todas partes, el exoesqueleto del escarabajo se descompone al final de su vida útil, devolviendo sus nutrientes al suelo. 

Los envases de película flexible utilizados por las industrias de alimentos y productos de consumo para mantener los alimentos, cosméticos y otros productos de consumo frescos e intactos, cumplen muchas de las mismas funciones que el exoesqueleto del escarabajo. La industria logra esas funciones al pegar capas de materiales dispares como plástico, papel de aluminio y papel, cada material cumple una función única. Si bien individualmente, estos materiales pueden reciclarse, una vez unidos, el reciclaje es casi imposible debido a la dificultad de separar las capas delgadas, por lo que terminan en vertederos, o si se descartan descuidadamente, tal vez finalmente terminen en el océano.

¿Qué tipos de nuevas innovaciones en empaques u otras aplicaciones de plásticos convencionales se podrían lograr al observar los principios detrás de las cubiertas de insectos multifuncionales y otros materiales probados por el tiempo de la naturaleza?

Iniciar Un Sistema Evolutivo De Materiales Plásticos Biomiméticos.

Dado lo mucho que la naturaleza hace con las proteínas, carbohidratos, otros biopolímeros y minerales como bloques de construcción para todos sus materiales "plásticos", tal vez no necesitemos un nuevo polímero diseñado para inventar una nueva generación de vida útil de alto rendimiento. alternativas plásticas amigables. Las materias primas abundan en muchos flujos de desechos industriales: quitina de la industria de mariscos, queratina de plumas de pollo, celulosa de pulpa, papel y madera, etc. Podemos usarlos como materia prima en un nuevo sistema de materiales plásticos biomiméticos que produce nuevos materiales basados en los principios de diseño de la naturaleza.

Estamos en un punto dulce donde se fusionan el conocimiento, la tecnología y la creatividad. Los microscopios avanzados y otras herramientas analíticas están aumentando nuestra comprensión detallada de cómo funciona el mundo natural: la biomimética es un enfoque sistemático para aprovechar esa base de conocimiento y traducir los principios de diseño de la naturaleza en nuevos conceptos de resolución de problemas. La fabricación aditiva, cuya impresión 3D es solo la punta del iceberg, permite a los humanos fabricar materiales jerárquicos de abajo hacia arriba con mayor destreza, al igual que la naturaleza. La potencia de la computadora permite a los investigadores probar rápidamente nuevas ideas biomiméticas en silico para que los inventores puedan elegir las más prometedoras para probar en el banco de laboratorio. ¡Ahora es el momento de sacudir el status quo de los plásticos! 

Covid-19 ha detenido la actividad económica mundial y está permitiendo que el mundo natural se recupere. A medida que reiniciamos la economía, honremos a los mentores de la naturaleza y aprendamos a crear sistemas industriales que beneficien tanto a la sociedad humana como a los ecosistemas que nos nutren.

Mark Dorfman / synapse.bio

 

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