El gran potencial de las nanofibras extraídas de la celulosa
Un material ligero, resistente y con cualidades medioambientales.Las nanofibras de celulosa, un nanocompuesto desarrollado a partir de la celulosa, principal componente de los vegetales, está siendo objeto de gran atención por su liviandad, resistencia y cualidades medioambientales.
Es un compuesto con gran potencial, que está siendo usado ya en artículos tan variados como pañales para adultos, pantallas, automóviles, o aviones.
Japón, cuyo territorio está cubierto por bosques en un 70 %, es líder mundial en investigación y desarrollo de este material, compitiendo en la carrera por darle un uso práctico con otros países boscosos, como los del norte de Europa y América.
Cinco veces más ligero y cinco veces más resistente que el acero
La principal razón de la atención que suscita este material está en sus propiedades físicas: es cinco veces más ligero que el acero, pero también cinco veces más resistente que él.
Combinándolo con resinas y gomas, se obtienen materiales para autopartes igualmente ligeros y resistentes. El grupo encabezado por el profesor Yano Hiroyuki, del Instituto de Investigaciones para una Humanosfera Sostenible de la Universidad de Kioto, está estudiando la posibilidad de sustituir el hierro que se utiliza en la fabricación de capós y otras partes de la carrocería de los automóviles por nanofibras de celulosa. Haciendo los vehículos más ligeros es posible reducir su consumo de combustible. Esto equivale, asimismo, a reducir las emisiones de dióxido de carbono. En el futuro, las nanofibras podrían utilizarse también como se utilizan actualmente las fibras de carbono, en la fabricación del fuselaje de los aviones.
Es posible también fabricar con este material un tipo de vidrio muy resistente a la deformación por calor. Al tratarse de fibras a escala nanométrica (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) dejan pasar la luz visible y pueden elaborarse de forma que resulten transparentes. Debido a su gran superficie específica (área superficial por unidad de masa), el material es apto también para la fabricación de filtros que recogen polvo y otras pequeñas partículas, o sustancias desodorantes que absorben partículas microscópicas portadoras de olor. Los envoltorios de alimentos en que se usa película de nanofibras de celulosa, que tienen un fuerte efecto de barrera frente a la penetración de oxígeno y otros gases, son efectivos para mantener la frescura de los alimentos. Y la alta viscosidad que tienen estas nanofibras incluso cuando se sumergen en agua abre las puertas a su utilización también como aditivo alimentario para reforzar la sensación de cuerpo o masticabilidad de los alimentos.
Los vegetales que sirven de materia prima para las nanofibras de celulosa son muy abundantes. La celulosa se obtiene prácticamente de cualquier vegetal: de la madera de los árboles, de la paja del trigo o del arroz, de los tallos de especies como el maíz o el algodón… Por ello, es difícil que su extracción afecte directamente al medio ambiente.
Japón es líder en investigación básica
Japón está obteniendo grandes resultados en la investigación básica sobre este nanocompuesto. La industria papelera extrae habitualmente celulosa de la madera para fabricar la pulpa que se utiliza como base del papel. El problema es que sería necesaria mucha energía para aislar de forma regular las nanofibras, que dentro de la pulpa están fuertemente enlazadas. Esta es la principal dificultad que impide actualmente industrializar el material.
Isogai Akira, profesor de la Universidad de Tokio, en la Embajada de Suecia en Tokio, el 10 de marzo de 2016 (fotografía de Nagasawa Takaaki)
En 2006, el grupo dirigido por Isogai Akira, profesor de la Escuela de Posgrado de Ciencias Agrícolas y de la Vida, se adelantó a sus competidores al descubrir que las nanofibras tienden a separarse de forma natural cuando se usa el catalizador TEMPO, utilizado habitualmente en la oxidación de diversas sustancias. Esto equivale a disponer ya de un método de tratamiento químico muy eficiente para conseguir nanofibras de celulosa con un consumo eléctrico que se calcula entre 1/60 y 1/300 parte del consumo que exigía el método empleado hasta el momento.
El descubrimiento de Isogai obtuvo una alta valoración y en marzo de 2015 el investigador recibió el Premio Anselme Payen (llamado así en honor del químico francés descubridor de la celulosa) que otorga la Sociedad Americana de la Química. En septiembre de ese mismo año, Isogai se convirtió en el primer asiático en recibir el Premio Marcus Wallenberg, concedido en Suecia y conocido como el “Premio Nobel de los Bosques”.
La industria papelera toma la iniciativa
Por el momento, la industria más interesada en encontrar aplicación a las nanofibras de celulosa es la papelera, que atraviesa una difícil situación debido a la contracción de la demanda de papel. La empresa Nippon Paper, segunda más grande del país, puso en marcha en octubre de 2013 en su planta de Iwakuni una línea piloto de oxidación catalítica TEMPO con una capacidad de producción anual de 30 toneladas. La empresa está dirigiendo sus esfuerzos también hacia la búsqueda de aplicaciones prácticas para este material. Por ahora lo ha aplicado con éxito a la fabricación de hojas o láminas con funciones desodorizantes y antibacterianas y en octubre de 2015 fue pionera mundial en la comercialización de pañales para adultos en los que se emplean nanofibras de celulosa.
Ōji Holdings, líder del sector, presentó en marzo de 2013 un método para la fabricación continua de hoja transparente que emplea nanofibras de celulosa de unos cuatro nanómetros, que había desarrollado junto a Mitsubishi Chemical. Debido a que puede doblarse o flexionarse como el papel, este producto puede usarse también en la fabricación de pantallas de gran tamaño para expandir cuando sea necesario y recoger después, o en células fotoeléctricas. Aprovechando la viscosidad del material, Ōji Holdings está colaborando con Nikkō Chemicals en el desarrollo de nuevos usos y funciones del material, como servir de materia prima para cosméticos.
Por su parte, Mitsubishi Pencil comenzó a vender en Japón a finales de mayo de 2016 bolígrafos de tinta de gel en los que las nanofibras de celulosa se usan como espesante de la tinta. Ha conseguido reducir un 50 % la espesura de la tinta al momento de su uso, lo que facilita la definición del trazo incluso cuando se escribe rápido. En Europa y Norteamérica este tipo de bolígrafos se estaba comercializando ya desde el año pasado.
Según el citado profesor Yano, será necesario bastante tiempo hasta conseguir carrocerías de automóvil totalmente hechas de nanofibras de celulosa, pero las fabricadas de plástico con refuerzo de nanofibras aparecerán mucho antes.
Aunque sus usos son cada vez más amplios, el alto coste de fabricación continúa siendo un problema. Cuando se producen sin mezcla, las nanofibras no pueden competir con otros materiales más convencionales, pues cada kilogramo tiene un coste de entre 5.000 y 10.000 yenes, frente a los 200 yenes del acero o los 300-500 del plástico. Incluso cuando se mezcla con resinas, este material resulta más caro que las fibras de carbono, que se sitúan en los 3.000 yenes, o las de aramida, que están en torno a los 5.000 yenes el kilogramo. La esperanza proviene, únicamente, de que la pulpa que sirve de materia prima tiene un precio de mercado extremadamente bajo, de entre 60 y 70 yenes por kilogramo. Cuando sea posible reflejar esta asequibilidad en el precio del producto final, se cree que se abrirán las puertas a las aplicaciones prácticas de este material.