Investigadores desarrollan teoría para optimizar la fabricación de dispositivos con polímeros

Los polímeros están presentes en objetos cotidianos, desde envases y dispositivos electrónicos hasta implantes médicos. Sin embargo, más allá de los materiales convencionales, existe una familia de estructuras con formas complejas que abre nuevas posibilidades para la ciencia y la industria. Entre ellas se encuentran los polímeros tipo estrella, protagonistas de una investigación en la que participaron expertos de EAFIT junto con colegas de Estados Unidos, Chile y Bulgaria.

A diferencia de los polímeros lineales, estas estructuras cuentan con un núcleo central del que se desprenden múltiples brazos. Esa arquitectura particular modifica la forma en que fluyen y responden a diferentes estímulos, una característica que podría aprovecharse en aplicaciones como la manufactura avanzada, la liberación controlada de medicamentos y el desarrollo de materiales.

El profesor Andrés Córdoba Uribe, investigador eafitense y uno de los autores del proyecto, explica que el objetivo principal fue desarrollar una teoría capaz de describir con mayor precisión el comportamiento de estos materiales. “Lo que logramos con este trabajo fue desarrollar un modelo capaz de predecir correctamente la viscosidad de estos materiales bajo diferentes condiciones. Las teorías existentes no lograban describir adecuadamente cómo cambiaba su comportamiento en función del peso molecular, es decir, de qué tan largos son los brazos de la estrella”, señala.

La posibilidad de predecir con precisión estas propiedades representa un avance importante para optimizar procesos industriales y diseñar materiales con características específicas. Además, reduce la necesidad de recurrir a numerosos ensayos experimentales, que suelen ser costosos y demandan mucho tiempo.

Las aplicaciones potenciales de estas estructuras son amplias. Los polímeros tipo estrella podrían emplearse en sistemas de liberación de fármacos, adhesivos, recubrimientos y procesos de manufactura más eficientes. También podrían facilitar el desarrollo de materiales con propiedades a la medida para sectores como la energía y la medicina.

Para Mónica Lucía Álvarez Lainez, profesora del área de Industria, Materiales y Energía de EAFIT, una de las principales fortalezas de estos materiales radica en su versatilidad. “Al cambiar la arquitectura de estos materiales se generan nuevas propiedades. En el caso de los polímeros tipo estrella, esa estructura ramificada puede modificar aspectos como la viscosidad, facilitar su procesamiento e incluso permitir incorporar fármacos o desarrollar materiales inteligentes”, afirma.

Ciencia de frontera

Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Macromolecules, de la American Chemical Society, en el artículo Slip-Link Theory Predicts Entangled, Star-Branched Relaxation Measurably Different from Tube Model Predictions. La revista hace parte del índice creado por la casa editorial Nature, que reúne algunas de las publicaciones científicas más representativas de distintas áreas del conocimiento, entre ellas la química macromolecular.

El estudio se apoyó en simulaciones computacionales de alto rendimiento. Diego Becerra, profesor de la Universidad de Concepción, en Chile, y coautor de la investigación, lideró este frente de trabajo y participó en la elaboración de las figuras e ilustraciones del artículo. “Estas simulaciones se realizan usando computación de alto rendimiento, es decir, supercomputadores o clústeres con muchos núcleos trabajando en paralelo. En nuestro caso utilizamos implementaciones aceleradas con GPUs (tarjetas gráficas), similares a las usadas en videojuegos, pero orientadas a resolver modelos físicos estocásticos asociados al movimiento y la relajación de los polímeros”, explica. 

Además de los cálculos y el análisis físico, la investigación dio lugar a una ilustración científica que fue seleccionada para aparecer en la portada de uno de los fascículos de la revista. La imagen representa un polímero tipo estrella rodeado por otras estructuras similares y combina elementos del mundo molecular con una estética inspirada en el espacio.

El siguiente paso de los investigadores consiste en utilizar estos modelos para optimizar procesos de impresión 3D y explorar escenarios aún más ambiciosos, como la manufactura en condiciones de gravedad cero. En contextos donde los experimentos son especialmente complejos y costosos, como el espacio, contar con herramientas predictivas podría resultar clave para diseñar materiales y procesos capaces de responder a los desafíos de las tecnologías del futuro.