La forma de algunos materiales artificiales se transforma como la de los seres vivos

Investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y de la Universidad de Sofía (Bulgaria) han identificado un nuevo mecanismo que impulsa el desarrollo de la forma y la estructura en la naturaleza, a través de la observación de materiales artificiales que cambian de forma a través de una amplia variedad de fórmulas que son tan complejas como las que se observan en la naturaleza.

Los investigadores han desarrollado un nuevo método para generar formas complejas, y han encontrado que el desarrollo de la forma en la naturaleza puede ser impulsado por las propiedades físicas de los propios materiales, en contraste con hallazgos anteriores. Los resultados, publicados en la revista Nature, podrían permitir la construcción de estructuras complejas a partir de componentes simples, con potenciales aplicaciones en productos farmacéuticos, pinturas, cosméticos y productos para el hogar tales como champú.

Utilizando un sistema sencillo -básicamente gotitas de aceite en una solución de agua jabonosa que fueron congeladas lentamente- los investigadores encontraron que se formaban fases de cristal plástico -recientemente descubiertas- en las superficies interiores de las gotas haciéndolas cambiar de forma de manera muy variada, desde octaedros y hexágonos a triángulos y fibras.

Los esfuerzos previos para crear tales formas y estructuras complejas han utilizado métodos de procesamiento de arriba hacia abajo, que permiten un alto grado de control, pero no son eficientes en términos de la cantidad de material utilizado o del costoso equipo necesario para hacer las figuras.

El nuevo método utiliza un enfoque ascendente altamente eficiente y extremadamente simple para crear formas complejas.

"Hay muchas maneras de que las cosas no biológicas tomen forma", dice Stoyan Smoukov, del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge, que dirigió la investigación. "Pero la pregunta es qué impulsa el proceso y cómo controlarlo, y cuáles son los vínculos entre el proceso del mundo biológico y el del no biológico"

Morfogénesis

La investigación de Smoukov propone una posible respuesta a la pregunta de qué impulsa este proceso: la morfogénesis. En los animales, la morfogénesis controla la distribución de las células durante el desarrollo embrionario, y también se puede ver en animales maduros, como en un tumor en crecimiento.

En la década de 1950, el matemático y precursor de la informática Alan Turing propuso que la morfogénesis está impulsada por reacción-difusión, que consiste en que reacciones químicas locales hagan que una sustancia se extienda por un espacio.

Investigaciones más recientes, del grupo de Smoukov entre otros, ha propuesto que son las propiedades físicas de los materiales las que controlan el proceso. Esta posibilidad había sido anticipada por Turing, pero era imposible determinar usando los ordenadores de la época.

Lo que esta nueva investigación ha encontrado es que congelando lentamente gotas de aceite en una solución jabonosa, las gotas cambian de forma de diferentes maneras, y pueden cambiar de nuevo a su forma original si se vuelve a calentar la solución. Además han descubierto que este proceso está impulsado por el autoensamblaje de una fase de cristal plástico que se forma debajo de la superficie de las gotitas.

Cristal plástico

"Los cristales plásticos son un estado especial de la materia que son como el alter ego de los cristales líquidos utilizados en muchas pantallas de televisión", explica Smoukov en la nota de prensa de Cambridge.

Tanto los cristales líquidos como los cristales plásticos pueden ser considerados como etapas de transición entre líquido y sólido. Mientras que los cristales líquidos orientan sus moléculas en direcciones definidas como un cristal, no tienen orden de largo alcance y fluyen como un líquido.

Los cristales de plástico son cera con orden de largo alcance en su disposición molecular, pero con desorden en la orientación de cada molécula. El desorden de la orientación hace que los cristales plásticos sean altamente deformables, y a medida que cambian de forma, las gotitas cambian de forma con ellos.

"Esta fase de cristal plástico parece ser la causa de que las gotas cambien de forma o rompan su simetría", dice Smoukov. "Y con el fin de entender la morfogénesis, es vital que entendamos qué hace que la simetría se rompa."

Los investigadores encontraron que alterando el tamaño de las gotas iniciales o la velocidad a la que reducían la temperatura de la solución jabonosa, eran capaces de controlar la secuencia de las formas que las gotas terminaban teniendo. Este grado de control podría ser útil para múltiples aplicaciones -desde productos farmacéuticos hasta artículos para el hogar- que utilizan emulsiones de pequeñas gotas.

"La fase de cristal plástico recibe últimamente un gran interés de los científicos, pero nadie hasta ahora ha sido capaz de aprovecharla para ejercer fuerzas o mostrar esta variedad de cambios de forma", dice el autor principal del artículo, el profesor Nikolai Denkov de la Universidad de Sofía, que fue el primero en proponer la explicación general de las transformaciones observadas.

"El fenómeno combina tantas áreas activas de investigación que puede abrir nuevas vías para la investigación en la ciencia de materiales y de la materia blanda", dice la co-autora Slavka Tcholakova, también de la Universidad de Sofía.

"Si vamos a construir estructuras artificiales con el mismo tipo de control y complejidad que los sistemas biológicos, necesitamos desarrollar procesos de abajo-arriba eficientes para crear bloques de construcción de diversas formas, que luego puedan ser utilizados para hacer estructuras más complicadas", explica Smoukov. "Pero es curioso observar tal comportamiento similar a la vida en cosas no vivas: en muchos casos, los objetos artificiales pueden parecer más "vivos" que los que viven."

Referencia bibliográfica:

Denkov, Nikolai et al.: Self-Shaping of Droplets via Formation of Intermediate Rotator Phases upon Cooling. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature16189.