Mecanoquímica

Los terremotos trituran rocas en el subsuelo terrestre y en otros planetas tectónicamente activos. Los ríos también erosionan frecuentemente las rocas, dejando al descubierto nuevas superficies minerales, y las olas en la costa erosionan acantilados, fracturan rocas y desgastan sedimentos. ^{[ 11 ]}

Al igual que los ríos y los océanos, la fuerza mecánica de los glaciares se evidencia en su impacto sobre el paisaje. A medida que los glaciares descienden por las laderas, erosionan las rocas, generando superficies minerales fracturadas que pueden participar en reacciones mecanoquímicas.

La mecanoquímica también desempeña un papel importante en la biología y la medicina, donde las fuerzas mecánicas influyen en los procesos moleculares y celulares, y la química celular afecta la mecánica celular. Por ejemplo, la anemia falciforme surge de una mutación en la hemoglobina que causa polimerización en condiciones de bajo oxígeno, lo que lleva a la deformación mecánica de los glóbulos rojos, un fenómeno que Linus Pauling describió por primera vez como una "enfermedad molecular". Más recientemente, los estudios de condensados ​​biomoleculares resaltan una interacción bidireccional entre la mecánica y la química ^{[ 12 ]} : las fuerzas mecánicas pueden influir en la separación de fases, mientras que los cambios en las propiedades del condensado, como la reticulación, la viscosidad o la temperatura, pueden alterar su comportamiento mecánico, impactando la función celular y las reacciones bioquímicas. ^{[ 13 ]} Los condensados ​​poliméricos también están emergiendo como una nueva frontera en la ciencia de los materiales debido a sus características mecanoquímicas. ^{[ 14 ]}

En los laboratorios, los molinos de bolas planetarios se utilizan normalmente para inducir la trituración ^{[ 5 ] [ 6 ]} para investigar procesos naturales.

Las transformaciones mecanoquímicas suelen ser complejas y diferentes de los mecanismos térmicos o fotoquímicos. ^{[ 15 ] [ 16 ]} La molienda de bolas y la mezcla acústica resonante (RAM) son procesos ampliamente utilizados en los que se emplea fuerza mecánica para lograr transformaciones químicas. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Elimina la necesidad de muchos disolventes, ofreciendo la posibilidad de que la mecanoquímica pueda ayudar a que muchas industrias sean más respetuosas con el medio ambiente. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Por ejemplo, el proceso mecanoquímico se ha utilizado para sintetizar hidrazonas de fenol de interés farmacéutico . ^{[ 22 ]}

Los silicatos son los minerales más comunes en la corteza terrestre y, por lo tanto, constituyen el tipo de mineral que con mayor frecuencia participa en las reacciones mecanoquímicas naturales. Los silicatos están formados por átomos de silicio y oxígeno, generalmente dispuestos en tetraedros de silicio. Los procesos mecánicos rompen los enlaces entre los átomos de silicio y oxígeno. Si los enlaces se rompen por una exfoliación homolítica, se generan electrones desapareados.

≡Si–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si–O•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O–O• + ≡Si•

La mecanoquímica tiene potencial para el almacenamiento en estado sólido de hidrógeno, amoníaco y otros gases combustibles con alta eficiencia energética. El polvo resultante es más seguro que los métodos convencionales de compresión y licuefacción. ^{[ 27 ]}

Los mecanóforos pueden utilizarse para detectar tensiones en materiales poliméricos. Al unir un mecanóforo a una cadena polimérica, cuando la cadena se estira, la fuerza se transfiere al mecanóforo, provocando un cambio predecible. Existen varios mecanóforos comunes utilizados para la detección de tensiones, como el espiropirano, la proteína fluorescente amarilla, los colorantes PER-AZO o PER-DBF en anillos CB[8] y los derivados de rodamina-espirolactama. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} El espiropirano, por ejemplo, se interconvierte fácilmente con su forma de merocianina bajo tensión aplicada, lo que provoca que cambie de un polímero transparente o azul claro a uno púrpura. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} El espiropirano se ha incorporado recientemente al polimetilmetacrilato (PMMA), al polidimetilsiloxano (PDMS) y a la policaprolactona. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Las futuras aplicaciones del espiropirano podrían incluir su incorporación en productos de caucho de nitrilo, como guantes quirúrgicos que cambiarían de color al romperse, indicando a sus usuarios que deben ser reemplazados.

Los mecanóforos también pueden diseñarse para que liberen pequeñas cantidades de ácido bajo tensión. En 2016, el grupo de Moore sintetizó un gem-diclorociclopropano que liberaba HCl mediante una reacción de transposición o de eliminación por aromatización. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Posteriormente, en 2020, el mecanóforo gem-diclorociclopropano se modificó para reducir su fractura y mejorar su estabilidad química. ^{[ 36 ]} Estos mecanóforos ya se han incorporado a elastómeros de silicona y han demostrado su capacidad para indicar fracturas. ^{[ 37 ]} Sin embargo, para utilizar estos mecanóforos liberadores de ácido como indicadores visuales, se debe incorporar un indicador de pH que cambie de color, ya sea en el polímero o como recubrimiento.

Ambos métodos de detección de estrés mencionados anteriormente presentan ventajas y desventajas. El espiropirano tiene la ventaja de no requerir ningún indicador adicional; sin embargo, debido a esto, su color no es ajustable. Dado que los guantes quirúrgicos suelen ser azules o morados, un indicador morado claro puede ser difícil de detectar para el usuario, especialmente si se localiza en un área de punción muy pequeña. Otro posible problema con el espiropirano es su reversibilidad. Si bien para algunas aplicaciones esto podría ser beneficioso si se desea utilizarlo como indicador pasivo de rupturas, puede volver a su color original antes de que se detecte cualquier ruptura. Los mecanóforos liberadores de ácido también tienen sus ventajas y desventajas. Si bien su color indicador es ajustable según el indicador utilizado, debido a la liberación de ácido al ambiente, pueden no ser seguros para su uso en todas las aplicaciones.

La mecanoquímica ha despertado recientemente interés en el desarrollo de sistemas de administración de fármacos donde las fuerzas mecánicas desencadenan la liberación del medicamento. Estos sistemas utilizan materiales que experimentan una transformación mecanoquímica, lo que permite un control espacial y temporal de la liberación del fármaco. Dichas plataformas mecanoquímicas son particularmente prometedoras para terapias dirigidas, tratamientos mínimamente invasivos e implantes sensibles.

Un enfoque consiste en incorporar mecanóforos en matrices poliméricas. Bajo estimulación mecánica (por ejemplo, estiramiento, compresión o ultrasonido), estos mecanóforos se rompen o se reorganizan para liberar los fármacos incorporados desde su red. Por ejemplo, se han incorporado mecanóforos que contienen disulfuro o éster en hidrogeles que se rompen en respuesta al ultrasonido o a una tensión localizada, lo que permite la liberación controlada de antibióticos o agentes anticancerígenos. ^{[ 38 ]}

Los soportes porosos sintetizados mecanoquímicamente, como los marcos metalorgánicos (MOF) y los marcos orgánicos covalentes (COF), también desempeñan un papel importante. Estos materiales pueden fabricarse mediante molienda de bolas sin disolventes y, posteriormente, cargarse con agentes terapéuticos, con activación mecánica para ayudar a regular las funciones celulares. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Actualmente se están investigando estas estrategias para su uso en apósitos para heridas con capacidad de respuesta, parches de medicamentos portátiles y sistemas de administración localizada de quimioterapia.