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La ciencia de los materiales al rescate: chicles fácilmente despegables

Traducido por Íñigo Ferradás Echeveste y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid)


Imagen cortesía de iStockphoto

Halina Stanley investiga la historia del chicle, cómo la composición química de la goma de mascar afecta a sus propiedades, y cómo los científicos están valiéndose de este conocimiento para hacer menos contaminantes los chicles.

Querido u odiado, mascar chicle es una omnipresente y normalmente beneficiosa actividad. Beneficiosa, esto es, hasta que un gracioso decide pegarte uno en el pelo. ¿No estaría bien que los chicles no se pegaran a las alfombras, los zapatos y la parte interior de los pupitres? Terry Cosgrove, profesor de química de la Universidad de Bristol, Reino Unido, ha decidido entrar en acción; puede que su chicle fácilmente separable ahorre millones en las facturas de limpiezaw1.

La adherencia del chicle podría ser un inconvenientew2, pero la elasticidad es una propiedad deseada. Los fabricantes de chicles – y antiguas historias – sugieren que mascar chicle puede ser beneficioso para mejorar la concentración, reducir el estrés y perder peso; incluso existen versiones de los que nos ayudan a dejar de fumar y a evitar el mareo. Así mismo, hay reivindicaciones acerca de que mascar chicle puede reducir significativamente el deterioro de los dientes y los problemas respiratorios. Sin embargo, una encuesta “científica” de estudiantes de dos institutos, llevada a cabo por el autor, muestra que, de hecho, los niños mascan chicle como un sustituto de morder bolígrafos y lápices: mascar parece ser una necesidad humana.

Así que, ¿qué es un chicle? Históricamente era simplemente una resina extraída de los árboles. Por ejemplo, en la Península de Yucatán en Centroamérica, los nativos extraían una goma de un árbol tropical de hoja perenne llamado “chicle Manilkara”. Hace más de mil años se hacían cortes en los troncos, se recogía la resina y se calentaba hasta que se alcanzaba una consistencia apta para mascar. La palabra “chicle” simplemente significa “cosa pegajosa” en el antiguo lenguaje azteca Nahuatl.

No obstante, mascar chicle no es (ni siquiera originariamente) una costumbre únicamente americana: los europeos de la Edad de Piedra también solían mascar chicle. En 2007, Sarah Pickin, de la Universidad de Derby, Reino Unido, encontró un chicle de 5000 años de antigüedad con unas marcas de dientes fosilizadas, y algo parecido se encontró en una excavación arqueológica en Finlandiaw3. Esta resina fue obtenida de abedules por coetáneos de la Edad de Piedra y la calentaron para formar una especie de pasta que debía ser sólida en frío pero más débil con calor. Parece ser que se empleaba como pegamento para reparar los enseres de cocina o para unir las puntas de flecha; obviamente se utilizaba asimismo para mascar. El profesor Trevor Brown, tutor de Sarah en la Universidad de Derby, afirma que esta goma contiene componentes antisépticos, así que los habitantes del Neolítico habrían poseído su propia medicina para tratar infecciones bucales.


goma del árbol Manilkara con cortes profundos para recoger la savia
Imagen cortesía de Luis Fernández García; fuente de la imagen: Wikimedia Commons

La resina y otras savias de los árboles – incluyendo el látex, a partir del cual se fabrica el caucho – son polímeros naturales. Estos polímeros – politerpenos- están compuestos de miles de unidades de C5H8w4. Dependiendo de las especies del árbol o la planta los polímeros naturales pueden ramificarse más o menos, tener diferentes tamaños (peso molecular) y se pueden mezclar con aceites volátiles fundamentales, cada uno de los cuales proporciona diferente textura y elasticidad. (El efecto de la estructura química en las propiedades físicas de los polímeros puede investigarse fácilmente en las aulasw5.) Estos líquidos viscosos se pueden solidificar estableciendo enlaces cruzados en los polímeros; este proceso se puede analizar añadiendo una disolución de tetraborato sódico sobre cola “blanca” de alcohol polivinilíco. Las guías de trabajo para estos experimentos se pueden encontrar en varias páginas webw6 y resulta interesante observar el efecto de variar la densidad de los enlaces cruzados (cambiando la proporción de tetraborato sódico respecto de la cola).


Goma del árbol Manilkara
Imagen de dominio público; fuente de la imagen: Wikimedia Commons

A pesar de que la primera fábrica de chicles, que abrió en Estados Unidos en 1870, empleaba la savia de los árboles para obtener la base del chicle Manilkara, los chicles de hoy en día son polímeros sintéticos. Con un asombroso consumo de 50 millones de chicles cada año, únicamente en Estados Unidos (en torno a 170 chicles por persona al año), no es una opción viable depender de los bosques tropicales para proveerse de materia prima. Puede que algunas formulaciones incluyan ingredientes naturales pero resulta difícil suministrar la información – ya que son secretos comerciales celosamente guardados -. Así, los polímeros sintéticos utilizados en los chicles comerciales poseen unas propiedades similares o incluso mejores que los polímeros naturales: son inertes, insolubles y en absoluto nutritivos. Estos polímeros se sintetizan a partir de derivados petrolíferos y se añade azúcar (o un edulcorante) y otros condimentos. Los colorantes (tradicionalmente de color rosa claro para los chicles) son los únicos ingredientes adicionales, a no ser que el chicle se use como una terapia médica, como por ejemplo, para ayudar a dejar de fumar; en este caso, los chicles obviamente también contienen un principio farmacéutico (como la nicotina) en forma diluida.

La fórmula de la base del chicle, para que tenga la elasticidad idónea, es compleja y varía dependiendo de las propiedades elásticas deseadas (por ejemplo, los chicles de pompas son más elásticos que los normales). Contiene varios elastómeros (para provocar elasticidad), resinas, cargas (que contribuyen a alcanzar una textura uniforme y ayudan a crear chicles con un bajo grado calorífico, rellenándolos sin añadir ingredientes nutritivos) y plastificantes (para ablandar la mezcla)w7.

El componente principal es habitualmente una mezcla de elastómero sintético, como el poliisobutileno, copolímeros de isobutileno-isopreno (goma butílica), copolímeros estireno-butadieno y polivinilacetato – habrá oído alguno de estos nombres en relación a los neumáticos de los automóviles. Estos polímeros son insolubles en agua y no biodegradables. Esto explica por qué cuando se lava una alfombra con agua, no se eliminan los chicles. Tampoco se solucionará poniéndola en remojo. Y si el chicle está pegado en una pared o en un suelo de baldosa, la lluvia no lo limpiará.

Cuando se masca un chicle, la parte acuosa (azúcar y demás condimentos) se libera gradualmente, mientras que el polímero permanece. Después de un rato, la goma pierde sabor porque se han perdido todos los condimentos acuosos; la base del chicle no se disuelve nunca. El calor de la boca ablanda la goma y la vuelve más flexible; sin embargo, el chicle no se ha modificado y vuelve a endurecerse en frío (a pesar de que puede volverse realmente duro si se pierde algún plastificante). Para formar las pompas más grandes debes mascar el chicle hasta que se mezcla el azúcar y se pierde el polímero elástico: el azúcar no es un polímero, no se estira y puede hacer que las pompas se rompan prematuramente.

Así que, volviendo a la cuestión inicial: ¿por qué el chicle se pega tan bien a la mayoría de las superficies? La ciencia de la adhesión es complicada (ver cuadro) y en el caso del chicle probablemente conlleva tanto efectos mecánicos como químicos. Sin embargo, independientemente del mecanismo adhesivo, ambas superficies deben encontrarse en contacto cercano, con el fin de “impregnarse” mutuamente (esta impregnación es el contacto entre un líquido y una superficie sólida debido a las fuerzas intermoleculares) antes de adherirse. El chicle blando se ajusta perfectamente a esa situación. Y una vez está pegado, la energía que empleas en tirar de él no se traduce en romper el enlace que une el chicle a la superficie (como desearías), sino que sólo extiendes las moléculas del polímero en el chicle. Esta es una propiedad general de los polímeros (por encima de una cierta temperatura): las moléculas enredadas tienden a formar curvaturas, pudiéndose enderezarse al tirar de ellas. (Se puede demostrar la extensión de los polímeros usando bolsas de polietilenow8). Así que, ¿cómo nos ayuda este conocimiento a fabricar chicles de forma que sean menos pegajosos?

Cuadro de información adicional

Hay muchas formas en que se pegan las cosas: Entre ellas:

  • Interacciones mecánicas, como Velcro o colas que se introducen en grietas o rendijas de la sustancia y después se solidifican, enlazándose físicamente con dicha sustancia.

  • Fuerzas intermoleculares (por ejemplo, enlaces de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals). Las lagartijas son conocidas por corretear por paredes lisas (incluso de vidrio). Cada uno de sus pies está cubierto por unos 500.000 pelos, los cuales se adhieren por débiles fuerzas de Van der Waals (Autumn et al, 2000). La adhesión del pie de una lagartija a la pared debe ser reversible (imagina a la pobre lagartija si no fuera así), así que esta es una buena estrategia: las fuerzas son débiles pero el efecto conjunto de 500.000 pelos no lo es, despegando los pies de la superficie la lagartija puede superar las fuerzas poco a poco.

  • La formación de enlaces químicos (formación de enlaces iónicos o covalentes). Los mejillones, que a diferencia de las lagartijas no son criaturas muy móviles, se adhieren firmemente a las rocas incluso en un clima “tormentoso” usando enlaces covalentes bastante fuertes. Y algunas colas forman enlaces iónicos o covalentes con las superficies, a pesar de que los detalles exactos suelen ser secretos comerciales.

  • Interdifusión en la interfase. Esto generalmente conduce a una unión muy fuerte dado que los dos materiales se mezclan a nivel molecular. Muchos materiales producen interdifusión en cierta medida - dos polímeros similares a una temperatura moderada se adherirán -, y el proceso es importante en contactos metal-metal y metal-óxidos del metal.

  • Atracciones electrostáticas. Investigadores del National Institute of Standards and Technology (NIST) de Estados Unidos están analizando actualmente la posibilidad de usar cargas electrostáticas para enlazar semiconductores.

Reducir la facilidad de extensión de los chicles no es una estrategia sensata: ¿quién querría mascar una bola rígida? En su lugar, el profesor Cosgrove ha incorporado un polímero hidrofílico en la base del chicle. Cuando se masca el chicle, este polímero absorbe saliva y ablanda el chicle. También migra a la superficie. Esto significa que siempre existe una fina capa de agua en la superficie del chicle tras mascarlo. Esta persistente capa de agua termina entre la goma y cualquier superficie, evitando un contacto directo y que el chicle se pegue. ¿Sencillo? En realidad no. Si simplemente se añadiera un polímero acuoso no se mezclaría con la base del chicle (así como tampoco se pueden mezclar el aceite y el agua). En su lugar, se debería utilizar un copolímero (un polímero compuesto de dos tipos de monómero o bloques de construcción) que posee tanto una parte hidrofílica como otra hidrofóbica que deben emplearse; incluso se debe tener cuidado al añadirlo para evitar la separación de fasesw9. Los fabricantes de pinturas emplean un procedimiento similar: mezclan el polímero(s) elastómero, que se secará para convertirse en una capa resistente al agua, usando también agua con este copolímerow10.

La adición del polímero hidrófilo tiene otro beneficio. Los chicles comunes son bastante resistentes al medio ambiente: no se disuelven con la lluvia y el clima tiende a endurecerlos, lo que los convierte en contaminantes muy persistente (piensa en esas manchas grises en las aceras). Por el contrario, la goma que contiene el polímero hidrófilo (la variedad de chicles antiadherentes) se desintegra lentamente en presencia de agua.


Imagen cortesía de iStockphoto

A pesar de que el copolímero utilizado en los chicles antiadherentes ha sido patentadow11, el equipo todavía está perfeccionando la composición exacta de la base. Hasta el momento han experimentado con 200 fórmulas diferentes – entiendo que Violet Beauregarde fue una de las primeras empleadas (lea “Charlie y la fábrica de chocolate” de Roald Dahl). Además de los parámetros normales de peso molecular de los polímeros, grado de ramificación y densidad de entrecruzamiento molecular, el equipo tiene que optimizar su “esquizofrénico” copolímero hidrófilo/hidrófobo. Demasiado polímero hidrófilo y el chicle será demasiado suave. Una mala composición y puede que el chicle se deshaga en la boca o se adhiera a las superficies. El equipo parece confiar en que el producto estará disponible para la venta en un futuro cercano. Cruzo los dedos para que resulte popular – de lo contrario ¡solamente pondremos chicles antiadherentes en la base de los pupitres de todos los colegios!.

Agradecimientos

Me gustaría agradecer al profesor Cosgrove por ayudarme con útiles discusiones y por leer este texto con un punto de vista crítico.

Referencias

Autumn K et al (2000). Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 405 681-685. doi: 10.1038/35015073. Download the article free of charge hereo suscríbete a Nature: www.nature.com/subscribe

IEn Charlie y la fábrica de chocolate, el libro tan querido por los niños, de Roald Dahl, Violet Beauregarde es una chica repugnante adicta al chicle:

Dahl, R (2007 and earlier) Charlie and the Chocolate Factory. Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Referencias en la web

w1 – Hay más información disponible acerca de las investigaciones del profesor Cosgrove en la página web de la Universidad de Bristol: www.chm.bris.ac.uk/pt/polymer/introduction.shtml

w2 – Se puede encontrar un video entretenido del profesor Cosgrove tratando de despegar un chicle de un zapato (“Prueba del zapato”) en www.revolymer.com

w3 – La historia del descubrimiento de Sarah puede leerse en: www.derby.ac.uk/press-office/news-archive/heres-a-story-to-get-your-teeth-into

w4 – Para aprender sobre plantas productoras de gomas y chicles y sus polímeros, ver:

http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle

http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene

w5 – Se puede descargar una actividad didáctica sobre cómo cambiar las propiedades de los polímeros y de los plásticos (actividad número 3.1.5) desde la página web de la Real Sociedad de Química (Reino Unido): www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w6 – Ente las páginas informativas de experimentos con alcohol de polivinílico y con tetraborato sódico destacan:

www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (específicamente el experimento 3.1.8, “Investigando el entrecruzamiento, formando baba”).

www.iop.org/activity/education/Events/
Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc

http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm

w7 – Aprende más acerca de la base de los chicles en la página de la “Base del chicle”: www.gumbase.com

w8 – Se puede encontrar una actividad didáctica interesante (experimento 3.1.6, “Bolsas de polietileno”) para entender el estiramiento de los polímeros en la página web de la Real Sociedad de Química (Reino Unido): www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w9 – Se puede ver un vídeo sobre cómo se forman las bases del chicle (“Hacer un chicle limpio”) aquí: www.revolymer.com

w10 – Se describen muy bien los copolímeros de polivinilacetato (un polímero insoluble en agua) con alcohol polivinílico (un polímero hidrófilo) usados en pinturas en la dirección: http://pslc.ws/macrog/pva.htm

w11 – La patente (WO/2006/016179, “Materiales polímeros con pocas tachuelas, métodos de formación de los materiales y composición de los chicles que contiene dichos materiales”) se puede ver en la página web de la Organización Mundial de Propiedad Intelectual: www.wipo.int/pctdb/en/
wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS

Recursos

Para medir en clase la concentración de ácido cítrico de un chicle, ver:

Gadd K, Szalay L (2008). Masticar sabores. Science in School 8: 34-37. www.scienceinschool.org/2008/issue8/chewinggum/spanish

Si quieres atender a las sugerencias para la actividad de medida, ¿por qué no echas un vistazo a la actividad de la degustación de chocolate de Science in School?

Schollar J (2006). The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge

Para leer los emocionantes antecedentes de la industria del chicle, ver:

Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 9780415944182.

y ‘Todo sobre el chicle’: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.asp


Reseña

Esta es una nueva forma para que los profesores tengan éxito con los alumnos: ¡comprad montones de chicles diferentes! Dejad que los alumnos sean los expertos aconsejando diferentes marcas – a lo mejor entregándoles chicles con diferentes propiedades, tales como dureza, duración del sabor y consistencia. Leed el artículo y debatid las expresiones químicas que se utilizan. Finalmente, tratad de fabricar vuestro propio chicle fácil de despegar.
Sølve Tegner Stenmark, Noruega

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