Viaje al centro de los materiales poliméricos
Comprender para imitar mejor
Los investigadores dedicados a la biomimética no se limitan a copiar los mecanismos que observan en la naturaleza. La tendencia relativamente reciente en este campo implica buscar la inspiración en los mecanismos de la naturaleza a nivel molecular. En los laboratorios se ensayan a diario nuevos materiales, principalmente polímeros. Los científicos disponen de numerosas herramientas que les permiten sumergirse hasta el mismo corazón de los materiales como, por ejemplo, el microscopio de efecto túnel. Existen numerosas vías de investigación: las alas de mariposa, las telas de araña, la piel de tiburón, etc. El objetivo es reproducir químicamente las sorprendentes propiedades biomoleculares de determinados animales a escala nanométrica. No obstante, hay un requisito esencial: ¡comprender cómo funciona la naturaleza! Muchos casos siguen siendo en gran parte un misterio.
El gecko y los polímeros: el nacimiento de una amistad
Para los especialistas en biomimética, el gecko, una clase de lagarto presente en todo el mundo, es emblemático. Está considerado como una de las grandes creaciones de la naturaleza. Igual que otros lagartos e insectos, el gecko tiene la capacidad de caminar por el techo. Esto resulta fascinante por sí mismo, pero lo más espectacular es que puede aguantar hasta 40 veces su propio peso sin despegarse, a pesar de que pesa menos de 100 g. Su secreto reside en el modo en que están diseñados sus dedos. Explicado de forma sencilla, la base de los dedos del gecko está recubierta por millones de pelos de queratina que miden tan solo algunas micras. En su extremo, cada pelo está ramificado en fibras más finas que terminan en forma de espátula. A nivel molecular entran en juego las fuerzas de Van der Walls. A grandes rasgos, se trata de unas fuerzas que vinculan entre sí átomos y moléculas. En pocas palabras, el secreto de los geckos reside en la estructura de sus pelos a escala microscópica.
Aunque el intento de reproducir estos pelos en un material sintético se ha convertido en una obsesión para los investigadores, la empresa de producción de automóviles Ford ha decidido tomar cartas en el asunto destinando considerables recursos a esta investigación. La industria automovilística consume grandes cantidades de piezas de plástico, para cuyo montaje se utilizan adhesivos que posteriormente resultan difíciles de eliminar, complicando los procesos de reciclaje del plástico. El objetivo está claro: poder prescindir de los adhesivos, utilizando el «efecto gecko» para unir las piezas entre sí. Todavía queda mucho trabajo por hacer y la Ford, prudentemente, por ahora no ha fijado ninguna fecha. La empresa ha establecido una relación de colaboración con el gigante del sector químico Procter & Gamble que consiste en revisar un gran número de polímeros e intentar desarrollar sus fórmulas moleculares a fin de reproducir los famosos pelos del gecko.
Poliuretano para el Spiderman del futuro
Las arañas siempre han despertado fascinación y, en especial, sus telarañas, que a menudo son calificadas como el material más fuerte del mundo. Aunque fuertes tal vez no sea la palabra más apropiada, puesto que bastan unas pequeñas tijeras para cortarlas. Lo que impresiona a los científicos es la sorprendente cantidad de energía que se necesita para estirar la telaraña hasta su punto de rotura. Los hilos parecen elongarse «infinitamente» antes de llegar a romperse. Un equipo de investigadores franceses podría haber resuelto el misterio, que no tiene ninguna relación con la fórmula molecular del hilo de araña. Grosso modo, parece que las arañas producen unas gotas de adhesivo que contienen en su interior una reserva de hilo de araña, junto con el propio hilo. Este hilo se desenrollaría al estirarlo y volvería a enrollarse al soltarlo.
Un equipo internacional está estudiando este descubrimiento para intentar reproducirlo químicamente. El único problema es que el diámetro de la fibra debe ser de entre 2 y 5 μ para que funcione como se espera. A modo de referencia, un cabello humano mide 80 μ. Actualmente, parece que el etanol y el poliuretano presentan las mismas propiedades. ¿Significa esto que pronto veremos este nuevo material? Es difícil saberlo, pero lo que sí es evidente es que se utilizará en múltiples aplicaciones, por ejemplo, en los chalecos antibalas, ropa de deporte y prótesis médicas, puesto que se espera que estas fibras sean incluso más resistentes que el Kevlar.
Los polímeros revolotean de descubrimiento en descubrimiento
Las alas de las mariposas son otra fuente de infinita fascinación para los investigadores, debido a su habilidad para jugar con la luz. Conocemos su fundamento, que tiene relación con la estructura de sus escamas. Cada escama está estriada, creando un complejo que provoca la difracción de la luz. Pero esto no es todo: las escamas no son uniformes, al contrario, son capas de quitina (uno de los componentes del exoesqueleto de los insectos) las cuales amplifican la iridiscencia producida por las alas. En otras palabras, las alas cambian de color en función del ángulo de observación o del ángulo de la luz incidente. Este es un fenómeno extremadamente útil para escapar de los depredadores. El efecto iridiscente de las alas de mariposa es muy interesante para los profesionales del sector textil, que intentan encontrar un modo de reproducirlo. Por el momento, esperan conseguirlo entretejiendo dos fibras diferentes, una de las cuales está hecha con un polímero semitransparente que refleja la luz. Tan solo falta desarrollar una técnica de tejido que permita reproducir la estructura estriada de las escamas de las mariposas.
La mariposa Greta Oto, nativa de América Central, tiene unas alas semitransparentes que no reflejan la luz, lo que las hace prácticamente invisibles. Esta peculiar característica también se debe a la estructura de las alas. Sus escamas están formadas por columnas mil veces más finas que un cabello humano que se estructuran siguiendo un patrón caótico. Como resultado, la superficie sobre la cual puede reflejarse la luz es mínima. Se prevé que este descubrimiento conduzca al desarrollo de un nuevo tipo de pantallas que reduzcan el molesto efecto del reflejo de la luz. Después de haber aprendido a conducir la electricidad, en particular en las pantallas flexibles, los polímeros podrían acabar siendo el material de facto para las pantallas de las tabletas y teléfonos inteligentes del futuro, si logran también sortear eficazmente la luz.
Tiburones cazabacterias
Quién no ha oído hablar del traje de baño de poliuretano ultrafino que se inspira en el patrón de la piel del tiburón. Triunfó en 2018, cuando ayudó a que se batieran cerca de cuarenta récords de natación. El traje imita la rugosidad de la piel del tiburón que, durante el movimiento, crea una turbulencia que reduce la fricción en un 5 % aproximadamente. ¡Más que suficiente para batir un récord! A partir de entonces se prohibió su uso, puesto que genera una situación de desventaja para los nadadores que no llevan este tipo de trajes. No obstante, la piel del tiburón ofrece otras ventajas. Además de mejorar la velocidad, también puede cazar bacterias. Los biólogos se preguntaron durante un largo periodo de tiempo por qué no crecían algas sobre la piel de los tiburones, a diferencia de lo que ocurría con las ballenas y focas, entre otros animales, sobre los que sí se desarrollaban. La conclusión final fue que ningún organismo vivo, incluidas las bacterias, podía adherirse a su piel.
Tras numerosas observaciones al microscopio, los investigadores concluyeron que la inmunidad de la piel del tiburón ante este tipo de ataques se debía a la presencia de millones de dentículos minúsculos y puntiagudos que hacían imposible que ningún organismo se instalara en ella. La empresa americana Sharklet explotó esta característica mediante la fabricación de un nuevo tipo de revestimiento con dentículos de 3 µ. Desde el punto de vista tecnológico, el mayor triunfo estaba en reproducir los micropatrones y nanopatrones de la piel del tiburón en un film de material polimérico. Como era de esperar, la naturaleza del film, así como la técnica de fabricación, se mantienen en secreto; lo único que ha trascendido es que se utiliza un proceso de moldeo por inyección.
El nuevo revestimiento, que es libre de sustancias químicas y antibióticos, ya se está utilizando en numerosas aplicaciones, especialmente en hospitales. Se utiliza en quirófanos, manetas de puerta e historias clínicas que pasan por varias personas, puesto que las bacterias se transmiten por contacto físico.
