Unidos por siempre

Publicado el 14 de Ene de 2021 por Alexis Hidrobo Química 0 Comentarios

¿Te imaginas un material que permita encuadernar libros, fabricar cartón ondulado, autoadhesivar papel, ensamblar cajas, sobres, bolsas, etiquetar envases, fabricar muebles y juguetes, ensamblar madera, tapicería de sillas y asientos, montar paneles de puertas, techos de vehículos, y fijar partes en general? Maravilloso, ¿verdad? Pues existe, este multifacético material se encuentra entre destornilladores, clavos y martillos en la caja de herramientas, o el taller de nuestras casas, por todo el mundo. Se trata del pegamento, cola, goma o adhesivo. Pensaríamos que es un invento moderno, pero nada más lejos de la verdad, pues ha sido parte de la humanidad desde tiempos inmemoriales.

En antaño con mucho ingenio, y mirando la naturaleza, buscábamos sustancias pegajosas que nos ayuden en nuestras actividades cotidianas; todo dependiendo de la época, los oficios y los usos. El problema con estos adhesivos es que en reiteradas ocasiones no duraban en el tiempo, pues los elementos, hongos y bacterias los atacaban dejándolos sin sus propiedades o con muy poco poder adhesivo. El mayor inconveniente era que estas mezclas tenían una concentración muy ligera de la sustancia adherente. Las recetas de los pegamentos han ido variando a lo largo de los siglos. Durante mucho tiempo se usaron colas hechas de caseína (proteína de la leche), almidón (obtenido de las plantas), resinas de árboles, caucho o sangre -que tiene capacidad adherente gracias a la albúmina-. También se usó con mucha frecuencia la cola animal, pegamento rico en colágeno que se obtiene a partir del cocimiento de tendones, piel y huesos de animales con lo que se forma una gelatina viscosa y pegajosa.

Existe evidencia clara al respecto. En una cueva de Sibudu, en Sudáfrica, se encontraron restos de compuestos adhesivos fabricados con pigmento ocre rojo mezclado con resina de acacia. La goma de las plantas puede resultar un buen pegamento, pero con frecuencia se rompe cuando recibe un golpe fuerte. Esta fragilidad se puede evitar añadiendo el pigmento ocre rojo. Increíblemente la evidencia más antigua conocida de uso de adhesivos se remonta hasta 80.000 años en el pasado. Se trata de la huella digital de un neandertal sobre los restos de resina en una herramienta de pedernal; los científicos la encontraron en las montañas de Harz (Alemania). Un estudio de 2017 demostró que se trata de una pieza con un mango de madera asegurada con adhesivo a una hoja de piedra de sílex; la conclusión: el adhesivo se corresponde predominantemente con componentes triterpenoides pentacíclicos que se encuentran en la resina del abedul.

Cuando pegamos cosas, algunas veces la sustancia pegajosa se filtra dentro de las aberturas muy pequeñas que tiene todo material, y una vez se endurece permite que los objetos se peguen unos con otros a través de fuerzas mecánicas. Esta es la base de todos los pegamentos de antaño, y de “el extraño caso de la lengua en el hielo”. A muchos nos ha pasado; ocurre cuando la superficie de la lengua, que contiene grandes cantidades de saliva –que a su vez es en su mayoría agua– se congela. La desagradable sensación es similar a unos pellizcos que se producen debido a la formación de cristales de agua. Si la lengua toca al helado cubito, este extrae calor y la enfría rápidamente; la humedad en la superficie, y entre los surcos de la lengua, se congela quedando firmemente pegada. ¡Ni se te ocurra tirar del hielo para despegarlo! Esto podría causar un doloroso desgarro. La solución es colocar un chorrito de agua tibia entre el hielo y la lengua, con lo cual el hielo intermedio se descongela, despegándose suavemente.

Existen otras variantes en el efecto de pegado. En ocasiones, extensiones de la superficie de un objeto se enredan con partes del área a pegar de otro, haciendo que los objetos se adhieran, tal como lo hacen los extremos opuestos del Velcro®. También está el efecto de sujeción que se produce entre una sección deformable, que deja escapar el aire generando vacío, y ejerciendo succión sobre la superficie de pegado, tal como ocurre en los pulpos, calamares, rémoras o incluso sanguijuelas, cuando usan sus ventosas para sujetarse o alimentarse. Otros animales, como los murciélagos endémicos de Madagascar, también presentan pequeñas ventosas en muñecas y tobillos de sus patas, de tal manera que les es posible pegarse a una superficie lisa como una pared, en donde sus garras son inútiles. En todos estos casos el efecto de pegado es esencialmente físico.

Así estaba la historia de las cosas hasta que, a inicios del siglo XX y gracias a los avances de la química, específicamente la química orgánica, la situación cambió radicalmente. Ahora el proceso de pegado es muy diferente, pues la pega puede fijar objetos como consecuencia de una reacción química. En el año 1912, el químico alemán Fritz Klatte descubrió el polivinilacetato (PVA), conocido como cola fría o cola blanca. El PVA es un compuesto químico que polimeriza, es decir, que forma largas cadenas al unirse varias veces entre sí, dando lugar a un material gomoso. La pega se comercializa como una emulsión acuosa, que ejerce su poder adherente una vez que el agua se evapora.

Unos cuantos años después, en medio de la segunda guerra mundial cuando Estados Unidos ingresó en el conflicto, la empresa Eastern-Kodak tuvo el encargo de realizar investigaciones sobre óptica aplicada en dispositivos militares. El científico estadounidense Harry Coover y su grupo de trabajo intentaban desarrollar miras plásticas transparentes para rifles y fusiles. Entre las distintas sustancias que investigaron estaba el cianocrilato de metilo, una molécula que una vez polimerizada forma películas trasparentes. Por más que lo intentaron, la sustancia obstinadamente se adhería a cualquier superficie al mínimo contacto, lo que definitivamente imposibilitó trabajar con ella y usarla para el objetivo deseado. Así y todo, Coover vio el potencial de la sustancia e intentó patentarla, también sin éxito. Años más tarde, en 1958, Coover se uniría al investigador Fred Joyne para desarrollar una nueva fórmula que obtendría la patente y se comercializaría bajo el nombre de «Eastmen 910″. La gran ventaja del nuevo adhesivo radicaba en que no era necesario calor ni presión para conseguir uniones extremadamente fuertes. Químicamente hablando lo que ocurre es que el cianocrilato de metilo reacciona con cantidades muy pequeñas de agua, polimerizando incluso con la humedad que cubre todos los objetos en forma natural. De hecho, la reacción es tan rápida y fuerte que antes de envasar y comercializar el producto debe mezclarse con pequeñas cantidades de ácido para frenarla. Curiosamente el producto fue lanzado al mercado a través del concurso televisivo «I’ve got a secret», en el cual Coover demostró las increíbles propiedades de su adhesivo. Luego, con el nombre de “super glue”, el invento fue usado por el ejército estadounidense durante la guerra de Vietnam para cerrar heridas, salvando a miles de personas. Hoy, este adhesivo es común para uso industrial y en múltiples aplicaciones para el hogar. Otros adhesivos químicos comunes son la silicona y las resinas tipo epoxi.

Podríamos creer que ya se nombraron todas las formas de pegado, pero con la tecnología actual somos capaces de analizar la naturaleza a un nivel imposible de concebir en el pasado; el estudio de un curioso animalito nos llevó a descubrir algo sorprendente. Se trata del gecko, el único animal que puede caminar de cabeza incluso en superficies extremadamente lisas como el vidrio. Si observamos con detenimiento los dedos de un gecko veremos que de un lado son planos, pero el lado contrario presenta abultamientos. Durante años se creyó que en ellos se hallaban las ventosas que le permitían corretear boca abajo por los techos y las paredes verticales. Pero ahora sabemos que no es así. Hablemos del caso gecko: este maravilloso reptil presenta unas almohadillas (lamelas) con partes microscópicas llamadas setas, como si hubiera miles de filamentos –cepillos diminutos– en cada lamela; además cada seta se divide en miles de puntas diminutas adicionales, denominadas espátulas. Lo realmente alucinante es que cada espátula genera carga eléctrica. Cuando una lamela toca una superficie aparecen millones de cargas eléctricas diminutas que atraen a las cargas eléctricas que hay en la zona de contacto. Este tipo de atracción a nivel molecular se debe a las llamadas fuerzas de Van der Waals, un tipo de fuerza intermolecular que se manifiesta entre los átomos o moléculas que conforman los objetos. En estudios recientes se ha determinado que cuando las patas del gecko pisan algo, las espátulas se ensanchan y se aplanan en la punta, formando un triángulo redondeado que aumenta el área de contacto entre las patas y la superficie. De esta manera, el efecto combinado de la orientación –la geometría– de las espátulas y las fuerzas de Van der Waals generan un efecto de adhesión excepcional. La atracción es tan fuerte que el animal puede caminar incluso sobre superficies tan lisas como el vidrio. Como las fuerzas electrostáticas no pueden apagarse y prenderse a su antojo, el problema ahora es despegarse. Para esto el gecko levanta los dedos de sus patas en un ángulo de unos treinta grados, de tal manera que los dedos se desprenden hacia atrás y por ende las cargas eléctricas van desapareciendo paulatinamente, hasta finalmente despegarse. La capacidad del gecko para adherirse es tan impresionante que solo existen dos superficies a las cuales no puede sujetarse: el vidrio altamente pulido y el teflón. Esto se debe a que estos materiales presentan un coeficiente de rozamiento extremadamente bajo (si quieres saber más acerca de la antiadherencia, haz click aquí) y a nivel atómico las moléculas de su superficie prácticamente no interactúan con otras; en consecuencia, las fuerzas de Van der Waals son considerablemente débiles con lo que el animalito pierde adherencia.

En el mundo de los comics esto ha generado revuelo, pues se supone que el poder de Spiderman para adherirse a las paredes debería ser de este tipo. Si recuerdas la película con el actor Tobey Maguire, aparece una escena en la cual se muestra que desde las yemas de sus dedos salen una especie de pelillos, al parecer retráctiles, que dan a entender que podría sujetarse a las paredes al estilo de un gecko. El propio manual oficial de MARVEL dice: “Spiderman mejora el flujo de las fuerzas interatómicas (sobre las superficies que toca aumentando el coeficiente de fricción) entre esa superficie y él mismo”. Quitando lo de coeficiente de fricción que es incorrecto a nivel molecular, la primera parte de la explicación es adecuada pues se refiere precisamente a las fuerzas de Van der Waals. Desde otro punto de vista, en el actual hombre araña de los videojuegos se puede observar que los trajes que usa potencian las habilidades naturales del superhéroe. Una explicación a base de ciencia real la tienen investigadores de la Universidad de Dayton y el Instituto de Tecnología de Georgia, quienes aseguran que se puede construir un traje elaborado con nanotubos de carbono. El material del traje es tan fino que presenta una interacción de Van der Waals 10 veces superior al de las patas del gecko, de tal manera que el alegre trepamuros solo necesita las yemas de los dedos de pies y manos, tal como usualmente lo miramos escalar. Si no te lo crees del todo todavía, te comento que varios científicos están investigando aplicaciones al respecto. Ya se han inventado unos guantes, que parecen más unas paletas, que de momento permiten sujetar personas de aproximadamente 90 kilogramos de peso –Parker no debe pesar más que esto– y escalar paredes de cristal de más de siete metros de altura. El problema de los spider-guantes es que personas de mayor peso, o una persona con equipo, no podrían usarlos; además, por lo pronto solo funcionan sobre ciertas superficies, tal y como explica su creador, Elliot Hawkes, un ingeniero de Stanford: “Estos adhesivos sintéticos funcionan mejor en superficies lisas como el cristal, ya que las rugosas o irregulares ponen más obstáculos”. Con todo, esta nueva tecnología está pensada para cintas sintéticas reutilizables muchas veces, en el campo de la medicina podrían reparar vasos sanguíneos o sellar agujeros en el tracto digestivo o el estómago. También se han creado geckos robot que podrían usarse en el rastreo de supervivientes en catástrofes, reparadores de naves o exploradores en el espacio.

Desde un punto de vista diferente, la experta en ingeniería de materiales Shu Yang, de la Universidad de Pensilvania, también ha desarrollado su propia versión de spider-guantes. Ella dirige un estudio centrado en un adhesivo súper fuerte y reversible, con propiedades similares a las que le permiten realizar sus proezas al trepamuros. En un artículo de 2019, cuenta que su material está hecho de un hidrogel que es flexible en el agua y rígido (vítreo) cuando está seco. Este hidrogel casi no se encoge y se seca muy rápido, por lo que mantiene su forma y en cuestión de minutos cambia su módulo de elasticidad unas 1.000 veces; de modo que en un instante pasa de blando y flexible a muy rígido. En las superficies hay muchas ranuras, por lo que el material en su forma flexible se comprime sobre ellas, produciendo un contacto perfecto antes de volverse rígido. Estas propiedades permiten que el hidrogel en su forma rígida quede muy bien sujeto a un sustrato, pero al añadir agua se hincha, se hace resbaladizo y puede despegarse. Unas láminas con este material, de apenas dos centímetros cuadrados, lograron que una persona –con la contextura del superhéroe– quede firmemente sujeta a una pared. Parece que en el futuro no necesitaremos de una araña radiactiva, o alterada genéticamente, para poder escalar paredes.

Al igual que las arañas, otros animales también tienen extraordinarias formas de sujetarse a los objetos, incluso bajo las inclemencias de los elementos. Ahora exploremos a los mejillones. Estos bivalvos se agarran a las rocas bajo las aguas de océanos, ríos y lagos con una fuerza impresionante. Para pegarse a las rocas, los mejillones usan unas fibras llamadas bisos o barbas. En 2006 científicos del Instituto Max Planck averiguaron que el interior del biso está hecho en su mayoría de colágeno, lo que le da resistencia y elasticidad; su capa externa está formada por iones de hierro y un aminoácido llamado DOPA (dihidroxifenilalanina, precursor biológico en la síntesis de dopamina, noradrenalina y adrenalina). Otro grupo de científicos, de la Universidad de Chicago, liderados por la química Ka Yee Lee, explica que en la placa del biso se puede encontrar proteínas exclusivas como la Mfp-3, la principal proteína que hace que se adhiera a las rocas bajo el agua, y que en presencia del DOPA mejora las cualidades de absorción y cohesión. El grupo ha creado un material con iguales propiedades para aplicaciones en adhesivos, sellantes, revestimientos para maquinaria que necesite estar bajo el agua y elementos con propiedades de anclaje para fines biomédicos.

Si de medicina se trata, en 2017 un grupo colaborativo de investigadores de Estados Unidos, Canadá, Alemania, Australia y Arabia Saudí, emulando los usos en guerra del cianoacrilato de metilo, desarrollaron un adhesivo para uso quirúrgico. Su agente sellante soluciona los actuales problemas de baja adhesión, resistencia mecánica inapropiada, citotoxicidad y bajo rendimiento en entornos biológicos, en el caso de sellar o reconectar tejidos rotos por ejemplo. El nuevo material es un hidrogel biocompatible y altamente elástico con propiedades de adhesión, una vez que la proteína humana tropoelastina se somete a entrecruzamiento inducido por acción de la luz ultravioleta. Ya se han realizado pruebas exitosas en roedores con arterias rotas, y en cerdos con fugas pulmonares severas sin necesitar el uso de suturas o grapas. El sellador tiene un alto potencial para aplicaciones clínicas debido a sus excelentes propiedades mecánicas y de adhesión.

En efecto, el pegar superficies sigue y seguirá siendo supremamente importante para la humanidad; los adhesivos y nuestras múltiples, y cada vez mayores, necesidades nos mantendrán “unidos por siempre”.

Alexis Hidrobo P.

Para saber más:

Alexis Hidrobo

Invierto mi tiempo en la enseñanza de Química en la Universidad San Francisco de Quito. Además me apasiona la divulgación científica y la ciencia ficción.

También puede interesarte

Un vídeo de astroquímica lleno de belleza

El poeta de la ciencia. Parte 2.

El poeta de la Ciencia y su obra. Parte 1.

Tags:

adhesivo, gecko, goma, Hielo, Hombre araña, spiderman