El estudio de los fundamentos del agua como disolvente podría conducir a productos más ecológicos

El agua no es sólo un disolvente universal que no se ve afectado por sus interacciones. Nuevas publicaciones de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NC) muestran que el agua puede cambiar sus características de solubilidad dependiendo de con qué interactúa. Específicamente, cuando el agua interactúa con la celulosa, puede acumularse en capas para controlar las reacciones químicas dentro del material y las propiedades físicas del mismo. El trabajo tiene implicaciones para un diseño más sostenible y eficiente de productos a base de celulosa.

"La celulosa es el biopolímero más abundante del mundo y se utiliza en aplicaciones que van desde vendajes hasta electrónica", dice Lucian Lucia, profesor de biomateriales forestales y química en NC State y autor correspondiente deun nuevo estudio en la materia. “Pero el procesamiento de la celulosa se ha realizado principalmente mediante prueba y error, y en parte se utilizan productos químicos increíblemente agresivos. Para encontrar mejores formas de procesar la celulosa, necesitamos comprender sus interacciones más fundamentales, por ejemplo, con el agua”.

Para ello, trabajó con su colega Jim Martin, profesor de química en NC State, que estudia las propiedades fundamentales del agua como disolvente.

"El agua tiene la asombrosa capacidad de cambiar sus características dependiendo de con qué esté, lo que le otorga una amplia gama de características de solubilidad", dice Martin. Martin es el autor de un artículo de opinión en Matter que acompaña el estudio de Lucía.

"Cambiamos la naturaleza del agua por lo que disolvemos en ella y por las concentraciones de esos solutos en el agua", dice Martin. “Piense en la continuidad entre Kool-Aid y los caramelos duros. Empiezas con azúcar. En Kool-Aid el azúcar está completamente disuelto. Al quitar el agua, se obtiene un caramelo, luego un caramelo duro y luego otra vez el azúcar cristalino”.

"Sabemos que el agua es fundamental para la forma en que se deposita la celulosa", dice Lucía. "Por eso, en este estudio investigamos cómo se orienta y desempeña un papel reactivo para mitigar o aprovechar la química".

Los investigadores manipularon físicamente diferentes tipos de fibras de madera y observaron cómo el agua se unía a sí misma y a otras moléculas dentro de las estructuras resultantes. Vieron que con contenidos de agua más bajos, la distribución del agua y las interacciones moleculares resultantes entre el agua y las fibras crean estructuras puente dentro del material que hacen que pierda flexibilidad.

De hecho, vieron que el agua puede “esconderse” dentro de la red de celulosa, formando fuertes enlaces de hidrógeno. Esta unión, a su vez, dicta la estanqueidad o holgura de las estructuras puente.

"El agua forma caparazones alrededor de las fibras que pueden apilarse, como una muñeca rusa anidada", dice Martin. “Cuantos menos caparazones o capas, más duras serán las fibras. Pero cuando agregas más capas, la conexión entre las fibras se aleja y el material se vuelve más suave”.

Los investigadores esperan explorar la variedad de enlaces que forma el agua dentro de estas estructuras en trabajos futuros.

"El estudio de estas interacciones a nivel molecular allana el camino hacia la manipulación del agua en la celulosa para diseñar mejores productos y procesos", dice Lucian. "Comprender lo que está sucediendo desde principios fundamentales nos permite diseñar enfoques que aprovechen las propiedades del agua para todo, desde la administración de medicamentos hasta el diseño de productos electrónicos".

El artículo de investigación, “Información computacional y experimental sobre la arquitectura molecular de las redes agua-celulosa” y el artículo editorial, “Agua bajo la influencia de solutos: sobre la no inocencia de un solvente universal”, aparecen en la edición del 3 de mayo. edición de Materia. El trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias. Kandoker Samaher Salem, ex estudiante de doctorado de NC State, es el primer autor del artículo de investigación. Los coautores incluyen al ex estudiante de doctorado de NC State, Nelson Barrios, y a los actuales profesores de NC State, Hasan Jameel y Lokendra Pal.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.