Material programable inspirado en el exoesqueleto de los insectos

CIENCIA DE LOS MATERIALES.

Unos científicos han demostrado que añadir cantidades traza de distintos iones metálicos al quitosano permite ajustar localmente su rigidez, resistencia o flexibilidad, sin modificar su química de base.

El quitosano es un biopolímero derivado de la quitina, obtenido habitualmente de caparazones de crustáceos, aunque también puede extraerse de hongos, insectos y otros residuos renovables.

Muestra del nuevo material, en este caso adoptando la forma de un abanico. Foto: IBEC. 

Esta estrategia para ajustar a voluntad las propiedades del quitosano se inspira en un proceso que la naturaleza utiliza desde hace mucho tiempo y podría ser el punto de partida idóneo para explorar cómo un solo material sostenible puede ser capaz de realizar el trabajo mecánico de varios, como en el caso de las articulaciones flexibles y las placas rígidas que conforman el exoesqueleto de los insectos.

Programar un mismo material de distintas maneras.

Los productos modernos suelen fabricarse combinando varios materiales distintos, cada uno elegido para una función concreta: pensemos en una botella y su tapón, o en una carcasa rígida alrededor de una junta flexible. Esta estrategia responde bien a las necesidades de rendimiento a corto plazo, pero tiene un coste al final de la vida útil del producto.

“Hoy, el principal cuello de botella del reciclaje no es el material en sí, sino recuperar y separar los distintos materiales que componen un mismo objeto”, explica Javier G. Fernández, profesor contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en el del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y coautor del estudio. «Si un solo material puede programarse para comportarse de forma muy distinta de una zona a otra, se puede seguir reciclando o compostando como un único material, sin necesidad de separarlo primero”. Sin ir más lejos, el plástico existe en cientos de tipos distintos, cada uno con su propia cadena de reciclaje.

Frente a este enfoque multimaterial, los organismos vivos logran distintas funciones mecánicas dentro de una misma estructura ajustando localmente un conjunto limitado de piezas básicas. Los insectos, por ejemplo, construyen sus exoesqueletos a partir de quitina (el polímero natural del que deriva el quitosano) adaptando distintas regiones para el soporte, el movimiento o la protección. Esta economía de materiales refleja una estrategia evolutiva conocida como «la supervivencia del más barato»: lograr una gran diversidad funcional sin multiplicar los materiales necesarios. «La naturaleza cambia habitualmente las propiedades locales de un único material para ganar eficiencia», explica Fernández. «Un insecto construye todo su exoesqueleto como una sola pieza continua, y aun así incluye partes muy flexibles, como las articulaciones de sus patas, y partes muy rígidas, como el tórax o las alas. Eso es eficiente de producir, porque el animal solo tiene que ajustar un único proceso, y también es eficiente desde el punto de vista mecánico, porque una estructura sin uniones es mucho más resistente que otra construida ensamblando piezas separadas».

Para llevar este principio a la práctica, el equipo del IBEC utilizó quitosano, un derivado de la quitina, para capturar iones metálicos dentro de la estructura de películas delgadas. Introdujeron iones de cobre, zinc o níquel mientras el polímero estaba disuelto, atrapándolos dentro del material a medida que se secaba. A continuación, un tratamiento alcalino dejó más disponibles los puntos de unión naturales del quitosano para interactuar con los iones ya incorporados. Estas interacciones modifican cómo se asocian las cadenas del polímero, lo que ofrece a los investigadores una forma de ajustar el comportamiento mecánico del material eligiendo el metal, sin alterar su esqueleto químico de base.

El resultado es el mismo polímero de base con personalidades mecánicas marcadamente distintas según qué metal se haya añadido. En condiciones secas, el quitosano dopado con zinc resultó más de un 50% más fuerte y rígido que el quitosano sin dopar, aunque menos elástico; el quitosano dopado con cobre se volvió más dúctil, estirándose mucho más antes de romperse, a costa de fuerza; el quitosano dopado con níquel quedó en un punto intermedio. El resultado más singular apareció al mojar las películas: mientras que el quitosano sin dopar y las versiones dopadas con cobre y zinc se debilitaban en el agua, como ocurre con la mayoría de los materiales biológicos y bioinspirados, la versión dopada con níquel se volvía, en cambio, más fuerte y rígida —una inversión que el equipo ya había observado, y estudiado con mayor profundidad mecanística, en un material relacionado de quitosano-níquel descrito en un estudio anterior del IBEC publicado en la revista académica Nature Communications.

Para demostrar la utilidad de esta «programación» local, el equipo construyó una estructura en forma de abanico, inspirada en el origami, que combina un quitosano rígido dopado con níquel con un quitosano flexible sin dopar en una única lámina continua. «Queríamos demostrar, en un solo objeto, que se puede plegar y desplegar de forma controlada —como el ala de un insecto— sin pegamento, costuras ni piezas separadas», explica Akshayakumar Kompa, investigador posdoctoral en el grupo de Fernández en el IBEC y coautor del estudio.

El equipo también probó cómo se degradaban en tierra las distintas versiones del material. En tres semanas, las películas dopadas con zinc se degradaron por completo, las dopadas con cobre perdieron alrededor de la mitad de su masa, y las dopadas con níquel —las más fuertes de las tres en mojado— se degradaron más lentamente, perdiendo alrededor de una cuarta parte de su masa en el mismo periodo.

Próximos pasos.

Estos primeros resultados abren una vía prometedora para utilizar los materiales biológicos como lo hace la propia naturaleza: creando diversas funciones mecánicas mediante el ajuste de propiedades locales dentro de una estructura continua. Más allá de las láminas demostradas aquí, el avance ofrece un principio de diseño para objetos sostenibles y biointegrados que combinan soporte y movimiento en un único material.

Los próximos pasos en esta línea de investigación y desarrollo son evaluar la durabilidad bajo movimiento repetido, adaptar el proceso a una fabricación a mayor escala, y establecer cómo se degradan los materiales y cómo interactúan con el entorno. Las pruebas realizadas hasta ahora ya muestran diferencias en la pérdida de masa según el metal; estudios adicionales permitirán distinguir la degradación biológica de la disolución y la fragmentación, cuantificar la liberación de metales y evaluar la seguridad ambiental. En conjunto, estos esfuerzos ayudarán a trasladar el concepto a diseños prácticos.

El equipo expone los detalles técnicos de su estrategia en la revista académica Journal of Materials Chemistry A, bajo el título “Artificial reproduction of chitinous mechanical versatility through metal doping and its use in resource-efficient product design”. (Fuente: IBEC)

Sitio Fuente: NCYT de Amazings