Polímeros e investigación: una historia con mucha química

Desde el descubrimiento de los materiales sintéticos, siempre se asoció los polímeros a los plásticos. Para el inconsciente colectivo, estas dos palabras son completamente sinónimas... Eso no es erróneo, ya que todos los materiales de la familia de los plásticos sintéticos son polímeros, aunque también existen polímeros naturales. Ante todo, cabe recordar que un polímero no es otra cosa que una gran molécula formada por una cadena repetitiva de unas pequeñas moléculas llamadas monómeros.

Se han hallado indicios del uso de polímeros naturales por parte del hombre que datan de más de 3000 años antes de nuestra era.

Y, al igual que la industria química, la naturaleza sabe producir monómeros y ensamblarlos para formar polímeros. Son polímeros naturales las fibras vegetales, la celulosa, los tendones de animales, la lana o el cuero... materiales que el hombre ha utilizado desde la Edad de Piedra. Ötzi, por ejemplo, la momia descubierta en los años noventa en Italia, en los Alpes de Ötztal (de ahí el nombre), en el momento de morir llevaba un hacha cuya punta de sílex estaba pegada al mango con brea de abedul. Esto indica que 3200 años antes de nuestra era ya dominábamos el uso de polímeros como la brea, una cola natural hecha con resina de los árboles. También se han hallado en América Central indicios del uso de una goma obtenida de la resina del árbol del caucho, que datan del 1600 a. de C. En los países occidentales, hay que avanzar hasta el siglo XVII para constatar las primeras aplicaciones de este caucho natural...

En 1839, el estadounidense Charles Goodyear descubrió por azar su proceso de vulcanización. Este permitía transformar la savia del árbol del caucho, relativamente líquida, en una goma elástica, que todavía hoy es ampliamente utilizada en los neumáticos o las suelas de zapato.

La baquelita inaugura la era industrial de los plásticos

La baquelita es el primer polímero sintético de la historia. Debemos su descubrimiento al químico belga-estadounidense Léo Baekeland, que estaba buscando un nuevo material aislante eléctrico. La baquelita tuvo un éxito considerable durante la primera mitad del siglo XX. Este polímero termoestable (que después de calentarlo y moldearlo adquiere su forma definitiva) está compuesto por benceno (un hidrocarburo) y disolventes. Fue el primer plástico producido y comercializado a muy gran escala.  Se encontraba en los teléfonos, los aparatos de radio, los electrodomésticos (aspiradoras, secadores de pelo, etc.), la bisutería y, sobre todo, en los interruptores. La baquelita se percibía entonces como el máximo exponente de la modernidad y la elegancia, tanto era así que la marca de lujo Rolls-Royce presumía de vestir con ella los interiores de sus vehículos. Su descubrimiento inauguró el camino de la industria química de los plásticos que, en los años siguientes, desarrollaría nuevos polímeros de calidades cada vez más sorprendentes.

El primer polímero sintético de la historia, la baquelita, tuvo un éxito considerable a principios del siglo XX

El título de primer polímero sintético de la historia también trató de reivindicarlo la parkesina, un invento de principios de la década de 1860. Esta consiste en una mezcla de nitrato de celulosa –una sustancia de origen vegetal– y un aceite de origen animal. Se trata, por lo tanto, de un polímero artificial que se obtiene modificando químicamente elementos naturales. Por esta razón, no puede considerarse un polímero sintético. A diferencia de la baquelita, el éxito no estuvo a la altura de las expectativas de su inventor, el inglés Alexander Parkes. Probablemente fue debido a su voluntad de reducir los costes de producción que repercutió en la calidad del material. Sin embargo, el descubrimiento no fue en vano, puesto que el estadounidense John Wesley Hyatt posteriormente lo mejoró añadiendo alcanfor –un compuesto orgánico obtenido del alcanforero- y colodión –un antiséptico. A este nuevo polímero que bautizó como celuloide le aguardaba un destino envidiable.

Se encontraban por aquel entonces en plena guerra de Secesión (1861-1864) y el Norte imponía sobre el Sur un bloqueo económico que afectaba especialmente al marfil, un material precioso con el que se fabricaban las bolas de billar, juego muy popular en la época. Preocupado por su porvenir, un fabricante de accesorios de billar decidió lanzar un concurso que recompensaría a quien lograra encontrar un material capaz de sustituir el marfil.

El celuloide, inventado con el objetivo de encontrar un sustituto para el marfil, todavía se empleaba hasta hace poco en la fabricación de las pelotas de tenis de mesa.

El ganador fue John Wesley Hyatt… y el éxito del celuloide no se limitó a las bolas de billar. Este material se empleó para fabricar todo aquello que hasta entonces se hacía de marfil: peines, mangos de cubiertos, teclas de piano, prótesis dentales o incluso muñecas –hoy muy apreciadas por los coleccionistas– y, por supuesto, las películas fotográficas con las que triunfó Kodak. Sin embargo, el celuloide tenía el defecto de ser altamente inflamable. Con la llegada de nuevos polímeros considerados menos «peligrosos», fue perdiendo popularidad hasta caer en desuso. Hasta hace una década todavía se empleaba para fabricar las pelotas de tenis de mesa, pero en 2013 la Federación Internacional de Tenis de Mesa decidió pasar al polipropileno.

Años veinte: los plásticos también viven sus años locos

Durante la década de 1920, las industrias químicas y petroleras estaban en pleno auge y veían los polímeros como materiales con gran potencial que era conveniente mejorar y desarrollar. Con la mejora de las técnicas de perforación y refinado, el petróleo se imponía cada vez más como la fuente energética principal. Paralelamente, el espectacular ascenso de la industria del automóvil demandaba una cantidad de carburante cada vez mayor. Sucedía que, tras refinar el petróleo para obtener carburante, restaban unas fracciones más ligeras y gaseosas, como la nafta, con las que en ese momento no se sabía qué hacer. Fue principalmente en estas fracciones en las que los químicos se basaron para crear unos novedosos materiales: los polímeros.

La Primera Guerra Mundial había impedido cualquier avance importante o frenado totalmente el desarrollo de estos nuevos materiales. Desde de la comercialización de la baquelita al final de la década de 1900, tuvieron que transcurrir veinte años hasta la aparición de nuevos polímeros sintéticos. La invención del PVC es un claro ejemplo de ello. Su descubrimiento data de 1835, cuando un químico francés observó la formación de una pasta blanca tras la exposición prolongada bajo la luz de una botella que contenía cloruro de vinilo, una mezcla de etano, hidróxido de potasio y etanol. La historia hubiera podido terminar ahí de no ser por un químico ruso que finalmente, a principios del siglo XX, se interesó por ese descubrimiento. Intentó entonces utilizar esta pasta –que todavía no recibía el nombre de PVC (policloruro de vinilo)– para fabricar objetos. Sus esfuerzos fueron estériles y la guerra y la revolución rusa pusieron fin a sus ambiciones.  Hubo que esperar entonces hasta 1926, cuando el estadounidense B. F. Goodrich logró estabilizar el polímero mediante la incorporación de aditivos. El PVC se convirtió así en un material más flexible y fácil de fabricar que experimentaría su verdadero apogeo en la década siguiente.

Todavía hoy es uno de los productos estrella dentro de la familia de los polímeros. En su forma rígida sirve, entre otras cosas, para fabricar tubos de canalización (el 40 % de la producción de PVC se destina a los tubos), tarjetas de crédito o incluso bañeras y otros tipos de sanitarios.  En su forma blanda, encontró numerosas aplicaciones como revestimiento de suelos e incluso de paredes. El producto se usó también para fabricar los famosos discos de vinilo, considerados muertos y enterrados durante varias décadas pero que ahora vuelven con fuerza.

El PVC, un polímero muy empleado en la construcción, es también el material utilizado en los discos de vinilo.

La aventura del PMMA (polimetacrilato de metilo) tiene muchos puntos en común con la del PVC puesto que su descubrimiento fue también muy anterior a su comercialización. Este se remonta a finales del siglo XIX, cuando un químico alemán logró polimerizar el metacrilato de metilo obteniendo un polímero sólido muy transparente. Fue el primer vidrio orgánico de la historia, muy anterior, por ejemplo, al policarbonato.  Este bonito descubrimiento despertó poco interés en la época debido a que la síntesis del metacrilato de metilo (el monómero) era complicada y cara, y a que su campo de aplicación parecía por entonces muy reducido. La llegada de la Primera Guerra Mundial no mejoró las cosas... El PMMA resurgió también en la década de 1920, comercializándose por primera vez bajo la forma de un vidrio orgánico de seguridad por la británica ICI. En 1940 aparecieron las primeras lentes de contacto. Durante la Segunda Guerra Mundial, entró en la fabricación de las torretas de los aviones bombarderos al ser considerado menos peligroso que el cristal para los ojos de los militares en caso de ataques enemigos. El PMMA fue adoptado también por los fabricantes de rótulos luminosos por sus cualidades ópticas, y la industria del mueble y sus diseñadores comenzaron a adorarlo por su facilidad de moldeo y su capacidad para sublimar sus creaciones.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el PMMA sirvió para fabricar las torretas de los aviones bombarderos. Un material mucho menos peligroso que el cristal para los soldados ametralladores.

Años treinta y cuarenta: los polímeros en pie de guerra

A pesar de la incertidumbre generada por las tensiones internacionales que desembocarían en la Segunda Guerra Mundial, la década de 1930 significó paradójicamente un giro importante para los polímeros. Se preveía que el conflicto mundial que se anunciaba obligaría a los países a encontrar nuevos materiales, especialmente para paliar las posibles carencias inherentes a cualquier conflicto armado. En el caso de Alemania, la necesidad apremiaba debido a su creciente aislamiento del resto del mundo y a la pérdida de todas sus colonias en la Primera Guerra Mundial. Se encontraba ante la incapacidad de acceder al látex, de modo que no podía producir caucho, y tampoco gutapercha, un polímero natural parecido a su pariente el caucho e igualmente obtenido a partir de un árbol exótico, el palaquium gutta. Apoyándose en una industria química que ya era puntera, Alemania aprovechó la competencia de sus investigadores para encontrar rápidamente sustitutos a los materiales naturales. No fueron los únicos: los británicos y los estadounidenses aceleraron también sus investigaciones. En esa época, se trataba sobre todo de encontrar nuevos materiales para hacer más eficaces las armas y los sistemas de defensa.

Las décadas de 1930 y 1940 fueron años prósperos para los polímeros. La urgencia de encontrar nuevos materiales en tiempos de guerra aceleró su desarrollo.

Así, la mayoría de los polímeros que todavía hoy se utilizan abundantemente empezaron a fabricarse durante las décadas de 1930 y 1940. Un hecho interesante es que si bien sus respectivas fórmulas (o al menos el embrión de estas) ya eran conocidas varias décadas atrás, en muchos casos no se les habían encontrado aplicaciones. Los industriales no juzgaron útil por aquel entonces intentar afinar su investigación con vistas a comercializarlos. La Segunda Guerra Mundial cambiaría radicalmente las cosas...

La evolución tecnológica vivida en las décadas de 1930 y 1940 en el seno del universo de la química es completamente comparable a la revolución tecnológica iniciada en la década de 1980.

El nacimiento de un rey

Por extraño que pueda parecer, cuando ya se había logrado polimerizar numerosos monómeros, todavía se resistía el más simple de ellos: el etileno. Su polimerización parecía improbable puesto que exigía unas presiones aparentemente imposibles de alcanzar por medios mecánicos. Un equipo inglés lo logró en 1935 y sintetizó el polímero que todavía hoy sigue siendo el más utilizado: el polietileno. Rápidamente se puso en marcha su producción y empleo para estanqueizar los cables submarinos sustituyendo eficazmente la gutapercha. Se utilizó asimismo para aislar los cables de altas frecuencias de los primeros radares, aparatos que tuvieron un papel decisivo en la victoria de los aliados. Algunos científicos afirman que sin el polietileno habría sido imposible crear estos famosos radares.

En 1945, en Estados Unidos, se logró su extrusión por soplado. Inmediatamente después empezaron a fabricarse fundas de fusil... Finalizada la guerra, surgieron nuevas aplicaciones para este material en el sector del envasado, y pasó a utilizarse a partir de 1950 para los botes de champú. Entró en el diseño de los famosos Tupperware y posteriormente se introdujo paulatinamente en los automóviles, aeronaves, films y, por supuesto, en todo tipo de contenedores...

Sin el polietileno, habría sido mucho más complicado fabricar los radares que contribuyeron de manera decisiva en la victoria de los aliados.

Los plásticos se convierten en verdaderos ángeles de la guarda

Otras estrellas del firmamento de los polímeros, las poliamidas (en algunos casos más conocidas por el nombre comercial de nailon), fueron desarrolladas también durante estos años de guerra. Su descubrimiento fue igualmente anterior –se remonta a la década de 1910–, pero las cadenas de polímero eran demasiado cortas para hilarlas. Este detalle era crucial puesto que las poliamidas se crearon a fin de encontrar un sustituto a la seda natural, cuya producción era costosa e incierta a causa de la fuerte propensión de los gusanos de seda a enfermar. Si bien la paternidad de la poliamida tejible recae en el estadounidense Dupont de Nemours en la década de 1930, el conglomerado empresarial alemán IG Farben estudió también este material y logró lanzar su producción a principios de la década de 1940. Su primera aplicación, en los Estados Unidos, fue la fabricación de cerdas de cepillos dentales, pero el conflicto apremiaba, por lo que sirvió principalmente para fabricar cables y telas de paracaídas, tanto en Alemania como en Estados Unidos, y cubiertas para ruedas de aviones. En el desembarque de 1944, todos los paracaídas de GI eran de poliamida. Su ligereza, su resistencia y su bajo coeficiente de fricción hicieron los paracaídas más seguros evitando así la pérdida de numerosas vidas. Sin este polímero, la escena del desembarco hubiera sido totalmente distinta y, posiblemente, también su desenlace, puesto que habría sido imposible fabricar tantos miles de paracaídas utilizando seda, tal como se había hecho hasta entonces. Tras el fin de la guerra, la producción de paracaídas lógicamente cayó en picado, pero las poliamidas siguieron en ascenso y empezaron a tejerse con ellas medias y prendas de lencería que acabarían llevando mujeres de todo el mundo. Actualmente, la familia de las poliamidas tiene una decena de miembros, que se diferencian por la composición de su cadena, y algunos de ellos son de origen biológico, como el Rislan, una poliamida a base de aceite de ricino que sirve, entre otras cosas, para fabricar material sanitario, dispositivos médicos y bridas. Algunas de las más recientes son de tecnología punta, como el Kevlar, que se empezó a comercializar en 1971. Su artífice fue Stéphanie Kwolek, una investigadora química estadounidense que trabajaba para DuPont y se propuso desarrollar una nueva fibra para mejorar la estructura de los neumáticos. Esta fibra, cinco veces más fuerte y notablemente más ligera que el acero, resistente a los impactos y a las tensiones, y capaz de soportar temperaturas de 400 °C, encontró rápidamente importantes aplicaciones, especialmente en la fabricación de chalecos antibalas. Se utiliza hoy en día en los trajes de piloto, guantes, artículos de deporte, velas de embarcaciones, protecciones de frenos y, por supuesto, en los neumáticos.

Recién descubierta, la poliamida permitió fabricar los miles de paracaídas necesarios para el buen desarrollo del desembarco de 1944.

Las siliconas, el poliuretano, el estireno-butadieno y el PTFE (politetrafluoroetileno, más conocido con el nombre de teflón) se desarrollaron también durante la Segunda Guerra Mundial y sus primeras aplicaciones fueron en el sector armamentístico. El PTFE, por ejemplo, era el único material capaz de resistir a los ácidos extremadamente corrosivos empleados en el tratamiento del uranio 235. Sirvió para fabricar juntas de estanqueidad en las primeras bombas atómicas que pusieron fin a la guerra del Pacífico en 1945. En cuanto al poliuretano, este fue inventado por el alemán Bayer, que buscaba un sustituto para el nailon estadounidense. Durante los primeros años de guerra, mezcló agua con uretanos y obtuvo una espuma que sirvió en un primer tiempo para aislar los submarinos y los aviones de combate.
Esta guerra mundial fue un catalizador para la industria química. Ambos bandos desarrollaron nuevos polímeros que se volvieron indispensable en las décadas siguientes con la aparición de nuevas aplicaciones.