Polimerización reversible para el desarrollo de polímeros inteligentes en energías renovables

Introducción

La demanda de materiales sostenibles y de alta eficiencia ha impulsado la investigación en polímeros inteligentes, capaces de adaptarse a condiciones cambiantes. En este contexto, la polimerización reversible, que permite la formación y ruptura controlada de enlaces, ha surgido como una tecnología con un gran potencial en aplicaciones de la industria de las energías renovables.

Este artículo explora los fundamentos de esta tecnología, sus diferencias con las técnicas tradicionales, y sus aplicaciones en sectores como el almacenamiento de energía y la producción de energía solar y eólica.

¿Qué es la polimerización reversible y sus fundamentos?

Es un proceso químico a través del cual, se logran cambios estructurales a nivel molecular y por ende en las propiedades de los compuestos poliméricos, en respuesta a diferentes estímulos como la temperatura, el pH o la luz. Esta característica les confiere propiedades idóneas de: regenerarse, autoensamblarse o autorrepararse, en función de las aplicaciones especificadas; para los cuales, han sido sintetizados.

Su base radica en la formación y ruptura controlada de enlaces covalentes y no covalentes, permitiendo el desarrollo de materiales con propiedades avanzadas para aplicaciones en dispositivos energéticos que requieren cambios estructurales precisos. Además, los polímeros con enlaces reversibles permiten reprocesar los materiales sin que pierdan sus propiedades, lo que encaja bien con los objetivos de sostenibilidad y reciclaje, contribuyendo a una economía circular y minimizando residuos.

Comparación con la polimerización tradicional

A diferencia de la polimerización tradicional, que produce enlaces irreversibles, la reversible permite la ruptura y reformación de enlaces bajo estímulos externos, lo que otorga características adaptables a los polímeros. Esta propiedad es utilizada en aplicaciones avanzadas donde se requiere un comportamiento versátil, como en la biomedicina, la energía y la electrónica.

Además, en el proceso tradicional es difícil controlar con precisión variables como el peso molecular, en el reversible se permite un control mucho más detallado debido a técnicas como RAFT (Polimerización por Transferencia de Cadena Reversible) y ATRP (Polimerización Radicálica de Transferencia Atómica), proporcionan un control preciso sobre la estructura molecular, permitiendo el diseño de polímeros a medida para necesidades específicas¹.

Desarrollo de polímeros reversibles para aplicaciones en nuevas energías

Actualmente, se están realizando una serie de investigaciones estratégicas encaminadas en mejorar el rendimiento de estos materiales en diferentes aplicaciones del sector energético como el almacenamiento de energía y la producción de energía limpia, a continuación, se especifican algunos tipos de polímeros reversibles:

• Los fotopolímeros, también llamados resinas activadas por luz, polímeros fotosensibles o fotoresistores, están compuestos de varias formulaciones de monómeros, oligómeros, polímeros y otros aditivos que pueden ser específicos del proceso individual, son eficientes como células solares orgánicas². 
• Los polímeros termorresponsivos, son materiales inteligentes cuyas propiedades fisicoquímicas cambian de manera controlada en respuesta a alteraciones de temperatura. Útiles en almacenamiento de energía térmica, modifican su solubilidad o forma en respuesta a la temperatura³.
• Los polímeros electroactivos, son polímeros que presentan alguna actividad (usualmente cambio de forma o tamaño) al ser estimulados por un campo eléctrico.​ Sus aplicaciones principales son como actuadores y sensores. Otra de las aplicaciones principales es la generación de músculos artificiales empleados en la robótica⁴.
• Polímeros que responden al pH, efectivos en purificación de agua y sistemas de liberación controlada de fármacos⁵.

Los enfoques avanzados en la síntesis de polímeros reversibles se basan en modificaciones estructurales específicas, como la incorporación de grupos funcionales foto- y termoresponsivos, que permiten controlar sus propiedades de respuesta a estímulos. La formación de copolímeros y la integración de nanocompuestos potencian la resistencia mecánica y las propiedades eléctricas y térmicas de los materiales, esenciales para su uso en sistemas de energía.

Además, el autoensamblaje molecular habilita la creación de matrices ordenadas, optimizando el rendimiento en aplicaciones de almacenamiento y generación energética. Estos enfoques innovan el campo energético, acercándonos a un futuro más sostenible mediante materiales inteligentes que optimizan la producción y almacenamiento de energía.

Principios básicos de la polimerización reversible en polímeros inteligentes

Química del proceso

La polimerización reversible se basa en reacciones dinámicas, donde los enlaces covalentes y no covalentes tienen la capacidad de adaptarse a estímulos externos como la temperatura, pH o luz. En este contexto, los enlaces disulfuro y las reacciones de Diels-Alder (Reacciones de Adición de los Dienos conjugados con ciertos alquenos y alquinos), son representativos de enlaces covalentes dinámicos que permiten procesos reversibles.

Los polímeros con enlaces disulfuro, por ejemplo, pueden auto-repararse tras un daño térmico, mientras que los que presentan enlaces de hidrógeno, son utilizados en células solares totalmente poliméricas, han mostrado mejorar la eficiencia energética. Estos enlaces permiten la separación de fases y la alineación molecular, optimizando el rendimiento de dispositivos solares y sistemas de almacenamiento de energía.

Tipos de polímeros inteligentes basados en polimerización reversible

Los polímeros reversibles abarcan varias categorías según su respuesta a estímulos:

• Polímeros termo-reversibles: Cambian su estado o forma en respuesta a la temperatura, optimizando la eficiencia energética en aplicaciones como sistemas de almacenamiento de energía térmica.
• Polímeros pH-sensibles: Responden a cambios en el pH, siendo útiles en procesos de purificación de agua o liberación controlada de fármacos.
• Polímeros foto-reversibles: Modifican sus propiedades al ser expuestos a la luz, lo que los convierte en una opción ideal para células solares orgánicas y ventanas inteligentes que ajustan la transmitancia de luz.

Estos compuestos ofrecen versatilidad para aplicaciones en energías renovables, y también permiten diseñar materiales funcionales que responden de manera precisa a estímulos externos.

Polímeros reversibles como materiales autorreparables

El concepto de autorreparación requiere que el material sea capaz de detectar una fisura y sellarla sin intervención externa. La idea básica consiste en dispersar en la formulación de partida empleada para generar el polímero convencional, microcápsulas que contienen un líquido reactivo (monómero o mezclas de monómeros) capaz de formar un sólido por polimerización a temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado.

Este último se disuelve en la formulación de partida y queda disperso en el polímero. Las microcápsulas cuentan con una cubierta de espesor suficiente para sobrevivir intactas al proceso de formación del material final y deben quedar uniformemente dispersas en el polímero entrecruzado.

Una de las propiedades más importantes de los polímeros reversibles es su capacidad de autorreparación, permitiéndoles reparar daños a nivel microscópico o macroscópico al exponerse a ciertos estímulos, como el calor o la luz. Esta capacidad influye en la industria energética, donde los materiales deben soportar condiciones extremas a lo largo del tiempo. Por ejemplo, en turbinas eólicas, los polímeros autorreparables reducen el desgaste por condiciones climáticas adversas, extendiendo la vida útil de las palas y disminuyendo los costos de mantenimiento​.

Aplicaciones de la polimerización reversible en la industria energética

Uso de polímeros reversibles en el almacenamiento de energía

Los polímeros reversibles desatacan como una solución en el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores. Sus propiedades de autocuración permiten que estos dispositivos mantengan su rendimiento durante un período prolongado, incluso cuando se enfrentan a microfracturas internas.

Además, estos materiales pueden ofrecer ventajas adicionales como la reducción de peso y mayor flexibilidad, lo que facilita su integración en una variedad de aplicaciones energéticas, desde sistemas de almacenamiento doméstico hasta infraestructuras energéticas de gran escala​.

Aplicaciones en energía solar

En el ámbito de la energía solar, este tipo de polímeros se han utilizado para mejorar la eficiencia en células solares orgánicas, ajustando sus propiedades en función de la luz y la temperatura maximiza para conversión de energía solar en electricidad utilizable. Además, se investiga su uso para el desarrollo de ventanas inteligentes que permiten controlar de forma automática o manual la intensidad de luz y el calor en ambientes cerrados.

Los polímeros que emplean enlaces no covalentes, como los enlaces de hidrógeno, se utilizan en células solares totalmente poliméricas. Estos enlaces mejoran la alineación molecular y la separación de fases, llevando a un aumento de la eficiencia de conversión de energía hasta un 19%, optimizando el rendimiento de los dispositivos bajo condiciones variables. En conjunto, estas dinámicas químicas permiten diseñar materiales altamente funcionales y sostenibles para la próxima generación de tecnologías energéticas.

En el siguiente video se explica la importancia del uso de polímeros en las celdas solares orgánicas, destacando su capacidad para ajustar sus propiedades en respuesta a la luz y la temperatura.

Aplicaciones en energía eólica

En aplicaciones eólicas, las palas de los aerogeneradores revestidas con polímeros reversibles son capaces de autorrepararse tras daños provocados por condiciones adversas, lo que reduce los costos de mantenimiento y aumenta su durabilidad. Los sistemas de amortiguación basados en estos polímeros, además, minimizan las vibraciones y mejoran la eficiencia operativa.

Otras aplicaciones

Además de las mencionadas, los polímeros reversibles también se están utilizando en dispositivos flexibles de captura de energía, como generadores triboeléctricos, que convierten la energía mecánica en electricidad. Su capacidad para adaptarse a deformaciones y recuperarse de daños los convierte en una opción efectiva para dispositivos portátiles y aplicaciones futuras en la infraestructura energética.

Economía circular y sostenibilidad

Los polímeros reversibles mejoran el rendimiento de dispositivos de almacenamiento de energía, reduciendo al mismo tiempo la huella de carbono. Al ser reciclables, estos materiales ayudan a reducir la dependencia de materias primas y permiten reprocesar productos sin pérdida de propiedades. En el marco de una economía circular, los polímeros reversibles pueden reducir hasta un 20% la energía necesaria para la fabricación de dispositivos solares y baterías, alineándose con objetivos de sostenibilidad a largo plazo.

Técnicas de polimerización controlada en la síntesis de polímeros inteligentes

La Polimerización Radicálica Controlada (CRP), permite un mejor control del peso molecular, la distribución del peso molecular, la funcionalidad y la composición del polímero. La CRP puede utilizarse con una amplia variedad de monómeros de vinilo para construir polímeros con diversas propiedades para diferentes aplicaciones. A continuación, se presenta las siguientes:

1. Polimerización Radicálica de Transferencia Atómica (ATRP): En particular el de ATRP el cual ha sido adaptado para la preparación de polímeros recubiertos con nanopartículas, facilitando la modificación superficial de los polímeros, necesario para mejorar la funcionalidad de los materiales utilizados en energías renovables, como las nanopartículas funcionales.
2. Polimerización por Transferencia de Cadena de Adición-Fragmentación Reversible (RFAT): Es una metodología más compleja que la ATRP, a través de la cual se sintetizan polímeros con estructuras moleculares precisas, significativos fundamentales para aplicaciones en almacenamiento de energía y recubrimientos autorreparables, lo que también contribuye a la sostenibilidad de los materiales.
3. Polimerización Mediada por Nitróxido (NMP): Los intermediamos que se forman en este tipo de polimerización durante la reacción inhabilitan los radicales poliméricos que se forman durante la etapa de propagación de la reacción de polimerización, lo que promueve un crecimiento del polímero más controlado y una mayor facilidad al momento de sintetizar polímeros con geometrías bien definidas. Los copolímeros desarrollados mediante esta técnica son considerables para la dispersión de pigmentos, dispositivos de memoria y fabricación de composite.

Estas técnicas permiten el desarrollo de polímeros inteligentes capaces de autorrepararse y adaptarse a condiciones ambientales variables, optimizando las tecnologías energéticas mediante materiales avanzados y personalizables.

Conclusiones

La polimerización reversible facilita el desarrollo de polímeros inteligentes con aplicaciones en energías renovables. Las propiedades como la auto-reparación y la adaptabilidad a estímulos externos contribuyen a la eficiencia en sistemas de almacenamiento y captura de energía, como baterías y células solares, al reducir el desgaste y la necesidad de mantenimiento.

La reversibilidad de estos polímeros permite el reciclaje y reprocesamiento sin pérdida de propiedades estructurales, favoreciendo la sostenibilidad al minimizar el desperdicio y promover un ciclo de vida más circular. Estas características posicionan a los polímeros reversibles como una solución viable para optimizar los recursos en diversas aplicaciones industriales, apoyando la transición energética.

Referencias

1. Ramírez M, Leticia A; y colaboradores; “Polimerización Radicálica Controlada por Transferencia de Átomos (ATRP), una alternativa para la elaboración de materiales poliméricos controlados”; AFINIDAD LXXII, 571, julio – septiembre 2015.
2. Universal Laser System; “https://www.ulsinc.com/es/materials/fotopol%C3%ADmeros” ; Consultado 20-10-2024.
3.  Musarurwa H, Tawanda T, Nikita; “Polímeros sensibles a estímulos y sus aplicaciones en la ciencia de la separación”; Polímeros reactivos y Funcionales, 2022.
4. Wikipedia; Polímeros electroactivos; https://es.wikipedia.org/wiki/Pol%C3%ADmero_electroactivo; consultado el 20-10-2024.
5. https://www.researchgate.net/profile/Carlos_Hernandez81/publication/311680954_UTILIZACION_DE_HIDROGELES_COMO_LIBERADORES_DE_FARMACOS/links/589a444faca2721f0db12529/UTILIZACION-DE-HIDROGELES-COMO-LIBERADORES-DE-FARMACOS.pdf