Escorpiones y esponjas inspiran el diseño de materiales sostenibles y resilientes

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Los seres humanos no están solos en la búsqueda de materiales más sostenibles. La naturaleza también ha estado “trabajando” en el problema de la sostenibilidad, y lo ha hecho durante mucho más tiempo. En un nuevo estudio, los investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann muestran cómo los trucos de diseño empleados por criaturas antiguas como los escorpiones y las esponjas pueden ayudar a optimizar la resiliencia de los materiales fabricados por el hombre, lo que en última instancia promueve el diseño sostenible.

“En el mundo natural, los materiales han evolucionado a lo largo de millones de años, en entornos que a menudo se caracterizan por recursos limitados y condiciones adversas”, afirma el profesor Daniel Wagner, del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales de Weizmann, que lleva varias décadas estudiando los aspectos mecánicos de los materiales naturales. “Nuestro punto de partida fue la intuición de que las estructuras biológicas que nos rodean (árboles, plantas, huesos, esqueletos de diversos organismos) se desarrollaron de una manera que es, por definición, sostenible”.

“En este sentido, la durabilidad es clave”, afirma el coautor del estudio, el Dr. Israel Greenfeld. “Los organismos vivos, por ejemplo, muestran una variedad de estrategias especializadas para lidiar con fuerzas externas gastando la menor cantidad de energía, por eso hay tanto que aprender de la naturaleza, mientras tratamos de desarrollar nuestros propios materiales más fuertes y duraderos”.

Los materiales mejorados y eficientes ofrecen una vía importante hacia un futuro más sostenible porque pueden dar lugar a una menor cantidad de residuos y una menor necesidad de combustible. Pero cualquier intento de mejorar una propiedad ventajosa de un material tiende a producirse a expensas de otro de sus atributos. Por ejemplo, aumentar la resistencia normalmente dará lugar a un mayor peso o a una menor flexibilidad.

“Resulta que la naturaleza encuentra formas sorprendentes de optimizar el equilibrio”, afirma Greenfeld. Una característica de optimización que se encuentra en una variedad de sustancias orgánicas resistentes es la construcción laminada: materiales compuestos de diferentes sustancias superpuestas o entrelazadas. Este tipo de material compuesto a menudo exhibe resistencia y resiliencia, al tiempo que mantiene otras propiedades beneficiosas, como ser liviano y flexible.

En el nuevo estudio, Wagner y Greenfeld examinaron dos laminados naturales que muestran un grado excepcional de dureza: la capa exterior, o cutícula, de un escorpión y el esqueleto interior, o espícula, de una esponja marina. Los investigadores descubrieron que el secreto de su resistencia reside en la gradación, una estrategia especializada que rara vez se encuentra en los materiales fabricados por el hombre: un cambio gradual de las propiedades de una capa a otra.

En ambos animales, las diferentes capas varían de grosor y, en el caso del caparazón del escorpión, también disminuyen su rigidez desde el exterior hacia el interior, de modo que la superficie que da al duro mundo en el que habita el escorpión tiene mayor resiliencia que el interior de su caparazón. De hecho, el estudio de los investigadores sobre el escorpión, que se basó en el trabajo iniciado en Weizmann por el Dr. Israel Kellersztein , un exalumno del equipo de Wagner, mostró que el complejo caparazón del organismo es un compuesto construido a partir de ocho niveles estructurales diferentes.

Se descubrió que tanto en el escorpión como en la esponja, una “reorganización” o reordenamiento sutil pero poderoso de las capas laminadas sirve como compensación biológica entre propiedades en conflicto, ayudándolos a soportar los tipos de estrés a los que suelen enfrentarse.

Gracias a la granulometría, el caparazón del escorpión y el esqueleto de la esponja, a pesar de ser resistentes y fuertes, son especialmente resistentes a las grietas. Aunque difieren en cuanto a composición química y estructura, ambos optimizan esta resistencia utilizando el mismo principio: la deflexión de la fractura. Esto significa que en ambos organismos, las grietas se mitigan desviando su trayectoria. Tan pronto como una grieta comienza a surgir en el material, la granulometría del material la “incentiva” a cambiar de rumbo y correr paralela a la superficie, en lugar de ir más profundamente, donde probablemente causaría daños estructurales más graves, lo que podría llevar a un colapso catastrófico.

Para entender mejor cómo funciona la clasificación en ambos organismos, los investigadores adaptaron un modelo de la mecánica de fracturas clásica, el campo que estudia cómo se rompen las cosas. El modelo mostró que, sin clasificación, obtener la misma resiliencia tanto en el escorpión como en la esponja habría requerido medidas más derrochadoras, como componentes más gruesos. También demostró que la resiliencia mejora al trasladar más material a regiones estructurales que son más críticas en términos de durabilidad.

Los investigadores no se detuvieron allí. Demostraron que, en materiales bioinspirados, la clasificación se podía utilizar de maneras que la naturaleza aún no había ideado. “Usando este modelo, pudimos cambiar los niveles de clasificación de maneras que el escorpión y la esponja no habían ‘pensado’ del todo”, dice Greenfeld.

Greenfeld y Wagner señalan que la incorporación de conceptos como la clasificación a los diseños creados por el hombre es un gran desafío. “Para los humanos, este tipo de diseño es innovador”, dice Greenfeld. “Las estructuras biológicas se crean de abajo hacia arriba, desde bloques de construcción diminutos y nanométricos hasta estructuras microscópicas y, de ahí, estructuras cada vez más grandes, mientras que en ingeniería, por lo general, no se comienza a nivel molecular”.

Sin embargo, aunque la estructura del escorpión es especialmente compleja, otras microestructuras naturales, como la de la esponja marina, pueden aplicarse más fácilmente en ingeniería. En el esqueleto de la esponja, por ejemplo, además de la granulometría, las grietas se ralentizan o detienen por el hecho de que las capas frágiles se intercalan con cantidades minúsculas de capas más blandas. “Es una cerámica, está hecha básicamente de sílice, no el tipo de material que normalmente se espera que muestre una fuerte resistencia a la fractura”, dice Wagner.

Una mejor comprensión de las estrategias encontradas en los materiales compuestos naturales, explican los investigadores, podría ayudar a los ingenieros a optimizar nuestros propios compuestos hechos por el hombre, una amplia familia de materiales que abarca desde el omnipresente cemento hasta los laminados especializados reforzados con fibra utilizados en las industrias aeroespaciales.

Wagner y Greenfeld, que llevan más de una década trabajando juntos, proceden de diferentes ámbitos profesionales. Wagner lleva mucho tiempo realizando investigaciones básicas sobre la micromecánica de los materiales compuestos biológicos y de los nanomateriales artificiales, como los nanotubos de carbono y el grafeno. Greenfeld, por su parte, ha disfrutado de una carrera en ingeniería aeronáutica, un campo en el que la eficiencia es clave. También se nutre de diferentes campos del uso de materiales, desde el diseño estructural hasta la ingeniería de sistemas y la invención. “Al proceder del mundo de la creación práctica, el Dr. Greenfeld aporta una perspectiva diferente a nuestro laboratorio, y ambos nos beneficiamos de la colaboración”, afirma Wagner.

“Nuestro trabajo no consiste exactamente en copiar”, añade. “Se trata de inspirarnos en los diseños de la naturaleza”. “La forma de utilizar esta inspiración depende, por supuesto, de los objetivos de ingeniería de cada uno, pero también se trata de ampliar los horizontes de lo que uno puede hacer con la ingeniería”, dice Greenfeld.

Wagner resume así su opinión: “Yo definiría la sostenibilidad como la capacidad de responder a las necesidades del presente, sin perjudicar la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades. Consideramos la importancia de la durabilidad mecánica desde este punto de vista: mejorar la resistencia al desgaste o mejorar la flexibilidad, y eso conduce a mejores resultados a largo plazo, ya sea que uno intente ahorrar combustible o las cantidades de materias primas que se necesitan en primer lugar”.

La investigación del profesor Daniel Hanoch Wagner cuenta con el apoyo del Centro Tom y Mary Beck de Materiales Avanzados e Inteligentes y del Instituto Ilse Katz de Ciencias de los Materiales e Investigación de Resonancia Magnética.