Un equipo de investigación del departamento de mejora genética y biotecnología del Instituto de Hortofruticultura Subtropical y Mediterránea ‘La Mayora’ (CSIC-Universidad de Málaga), en Málaga, han fabricado bioplásticos iridiscentes, que muestran o reflejan los colores del arcoíris como las pompas de jabón, y biodegradables utilizando residuos agrícolas de celulosa y restos no comestibles del cacao.

La aplicación de estas estructuras microscópicas, insolubles y resistentes a ambientes húmedos, abarca desde sensores de alerta en el embalaje de productos alimenticios, sellos o marcas contra falsificaciones y materiales con los que elaborar productos como juguetes, libretas u otros fabricados habitualmente con material plástico.

El nuevo bioplástico consigue su estructura combinando dos materias primas. Por un lado, la celulosa procedente de los restos de algodón y por otro, las cáscaras del fruto del cacao. Ambos se disuelven hasta perder su tonalidad original y quedar prácticamente transparentes. En ese momento se mezclan y se forma un film con unas características muy similares a los plásticos derivados del petróleo. La ventaja de este material biodegradable es que su destrucción no conlleva impacto medioambiental.

Precisamente, la sustitución de los ‘petro-plásticos’ por materiales ecológicos y respetuosos con el entorno es uno de los grandes retos medioambientales en los que el equipo de investigación de este centro mixto del CSIC y la Universidad de Málaga lleva décadas trabajando. Hace unos años crearon un bioplástico a partir de la piel del tomate para recubrir el interior de las latas de conserva de esta fruta. Ahora, con este estudio, titulado ‘Biodegradable and Insoluble Cellulose Photonic Crystals and Metasurfaces’ y publicado en la revista ACSNano, han conseguido crear compuestos ‘bio’ a partir de desechos de celulosa y cacao aplicando la denominada ‘bioeconomía circular’, basada en emplear un desecho y convertirlo en un material útil.

La investigadora Susana Guzmán Puyol (izquierda) y Ruth Aranda Nebot, técnica de Medio Ambiente del IHSM. Foto: Mª Isabel Díaz. Dpto. Comunicación IHSM.

Para alcanzar estos resultados, los expertos han disuelto ambos compuestos y generado a pequeña escala finas capas de film similares al plástico, con una estructura resistente y colores brillantes debido a la formación de cristales fotónicos en la superficie mediante el replicado de un molde concreto elaborado de óxido de silicio que genera dichas tonalidades. Hasta llegar a ello, realizaron dos tipos de experimentos. Por un lado, trabajaron sólo con celulosa y en otro ensayo utilizaron este material añadiéndole restos de cacao.

Descomposición en tierra y agua de mar

Tras las pruebas en el laboratorio, los expertos comprobaron que estos dos materiales se descomponen de forma natural tanto en el suelo como en el agua de mar. “Las películas de celulosa pura son completamente biodegradables y transparentes con un índice de refracción similar al vidrio. Su formación a escala nano y micro la transforma en una superficie que manifiesta colores estructurales brillantes”, explica a la Fundación Descubre el investigador Alejandro Heredia Guerrero, autor de este trabajo.

Los expertos apostaron por los restos de cacao, concretamente las cáscaras, debido a su naturaleza fuerte y resistente. Esta fruta tropical contiene lignina, un compuesto duro que se halla en la parte leñosa de la planta. “El residuo de este alimento es difícil de tratar, de modo que si conseguíamos gestionarlo y reutilizarlo, creemos que trabajar con cualquier otro residuo es posible”, augura el investigador de La Mayora.

Durante los ensayos de preparación de ambos materiales, los expertos obtuvieron una respuesta similar pese a que los tiempos de disolución de cada uno es dispar. En el caso de la celulosa, pasa de ser un compuesto blanquecino a una pasta transparente final en aproximadamente un día. En el caso del cacao, requiere de tres días de agitación en disolvente para una disolución completa.

Las cáscaras del fruto del cacao se disuelven hasta perder su tonalidad original y quedar prácticamente transparente. Foto: Mª Isabel Díaz. Dpto. Comunicación IHSM.

En los dos casos, el equipo de investigación observó que la evaporación del disolvente es tan rápida que no da lugar a seguir un patrón y a que se construya de forma regular. “Como no existe un orden en la formación de la película y no dispersa la luz como correspondería, se ve transparente. En el momento en el que se forman los cristales fotónicos en la superficie se produce la iridiscencia, demostrando que su interacción con la luz no es fruto de pigmentos”, aclara Heredia.

A diferencia de gran parte de los objetos cotidianos, que presentan un color determinado por pigmentos, en el caso de este material a base de cacao y celulosa, los cristales fotónicos que se generan en la superficie del film interaccionan con la luz, afectan a la propagación de las ondas electromágnéticas y, por tanto, generan colores muy llamativos y brillantes. “No se forman con pigmentos, como suele ser habitual. Por ejemplo, un tomate es rojo porque tiene pigmentos rojizos, pero aquí tenemos colores estructurales. Adoptan una tonalidad dependiendo del ángulo desde el que se observen, algo similar a lo que sucede cuando miramos un objeto de nácar”, explica Heredia.

Los expertos han demostrado que estos materiales elaborados a partir de desechos constituyen una materia prima consistente y duradera para nuevos productos, pudiendo sustituir así el plástico por estos compuestos y que al final de la vida útil del producto se puede volver a reciclar. “Estos materiales ofrecen una alternativa biodegradable al plástico con aplicaciones en múltiples campos diferentes como en el ámbito de la salud, la detección biológica y ambiental, y en envasado de alimentos, entre otros”, detalla Heredia.

Este nuevo bioplástico es resistente, compacto y duradero. Foto: Mª Isabel Díaz. Dpto. Comunicación IHSM.

Este estudio, en el que colaboran el ‘Istituto Italiano di Tecnologia’ y las universidades de Génova y Washington, entre otras instituciones, ha recibido financiación de la Unión Europea en el marco del proyecto Marie Skłodowska-Curie RISE COMPASS y del proyecto TEHRIS. Además, cuenta con fondos del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea y del Ministerio de Ciencia e Innovación de España.

Referencias

Vincenzo Caligiuri; Giacomo Tedeschi, Milan Palei, Mario Miscuglio, Beatriz Martín-Garcia, Susana Guzman-Puyol, Mehdi Keshavarz Hedayati, Anders Kristensen, Athanassia Athanassiou, Roberto Cingolani, Volker J. Sorger, Marco Salerno, Francesco Bonaccorso, Roman Krahne, and José Alejandro Heredia-Guerrero: ‘Biodegradable and Insoluble Cellulose Photonic Crystals and Metasurfaces’. ACSNano. Junio de 2020.

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