Las estructuras nanométricas de las conchas marinas son las que explican su fortaleza

Los océanos son medios en los que las criaturas marinas con cuerpos frágiles, como la serpiente de mar, tienen que desarrollar estructuras que les permitan habitarlos. Estas estructuras de la naturaleza son nanométricas, minúsculos sistemas de corazas (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) capaces de aguantar el peso del agua. Ahora, los científicos las estudian con el fin de reproducirlas en laboratorio, como método de protección de los humanos, informa el MIT (Massachussets Institute of Technology).

Comprender los fundamentos del diseño de los sistemas naturales de corazas, como las conchas, ayudará a los ingenieros a desarrollar sistemas similares para los hombres y mujeres que trabajan en situaciones peligrosas, como los soldados o los policías. En el centro de investigación de nanotecnologías militares de dicho instituto, los científicos trabajan para definir las estructuras y mecanismos característicos de las conchas de los moluscos a escala nanométrica.

Bioingenieria minuscula

Los resultados de estas investigaciones, dirigidas por la profesora Christine Ortiz, han sido publicados en la revista Journal of Materials Research y han demostrado que la naturaleza es experta en el diseño de la ingeniería a nano escala. En el nácar del molusco analizado, por ejemplo, se ha descubierto que las estructuras nanométricas son de una perfección sorprendente, lo que cambia el concepto que se tenía de este material.

El nácar está compuesto de materiales relativamente frágiles: en un 95% de carbonato cálcico, un componente cerámico quebradizo, y en un 5% de un biopolímero flexible (los polímeros son macromoléculas -generalmente orgánicas- formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros). Estos materiales se organizan en una estructura que mezcla, formando una especie de ladrillo, millones de placas cerámicas cada una del tamaño de varios miles de nanómetros. Las placas se acumulan una encima de las otras como si fueran un rollo de monedas. Cada estrato de placas está unido a los demás por finas capas de biopolímero. Los estudios de los investigadores del MIT se han centrado en esas pequeñas regiones de tamaño nanométrico que son las placas individuales.

Aunque el carbonato cálcico es muy frágil y quebradizo, la estructura que se forma en las conchas del molusco aumenta su fuerza, y muestra a los investigadores la manera en que podrían construirse materiales mucho más duros y protectores, realizados con compuestos sintéticos que imiten a la biología. Estos compuestos podrían utilizarse tanto en armaduras o chalecos protectores para personas como en carrocerías de coches o en las alas de los aviones.

Los científicos del MIT empezaron a hacer sus estudios experimentales haciendo un corte en el armazón de la trochus niloticus, un tipo de molusco marino, utilizando para ello un poderoso instrumento de precisión atómica. Descubrieron que cada una de las placas individuales tiene su propia estructura nanométrica compleja, y que se halla dividida en diferentes sectores. En los bordes descubrieron una especie de vigas cilíndricas de tamaño nanométrico. También observaron que la superficie cuenta con rugosidades nanométricas, denominadas “nanoasperities” o “nanoasperezas”, organizadas en grupos, y moléculas biopoliméricas de sólo un nanómetro de tamaño, atravesadas por encima y unidas a las rugosidades.

Aprender de la naturaleza

Los investigadores hicieron una prueba con un tipo de diamante de sólo unos cientos de nanómetros de tamaño en el Departament of Material Sciencie and Enegineerings’ Nonomechanical Technology Laboratory, con la intención de ponerlo sobre la superficie de una de las placas individuales, mediante una téncinca llamada nanoindentation. Mientras, iban midiendo la fuerza resultante. Descubrieron que, de esta forma, las estructuras se volvían mucho más fuertes y que no se rompían, incluso sometidas a grandes fuerzas.

Aunque los científicos han estudiado mucho las conchas a nivel macroscópico y microscópico, a nivel nanométrico aún se conoce muy poco de ellas. En la actualidad, el equipo del MIT investiga las fuerzas de cohesión a nanoescala existentes entre las placas cerámicas y los biopolímeros flexibles de las conchas, así como las propiedades nanomecánicas de las moléculas del biopolímero. También analizan en la actualidad las propiedades nanomecánicas de otros materiales naturales, como los huesos y los cartílagos.

La naturaleza emplea estructuras a nanoescala para diseñar materiales con propiedades mecánicas superiores. Según los investigadores, los ingenieros deberían aprender de ella, para desarrollar el mismo tipo de habilidad. A medida que se avanza en el conocimiento de las estructuras materiales y biológicas a ese nivel, la aparición de materiales sintéticos que puedan hacer lo mismo está cada vez más cerca.

Los investigadores aprenden cada día de la naturaleza. Por ejemplo, un tipo de escarabajos que deposita sus huevos en árboles recién quemados es capaz de detectar incendios desde varios kilómetros de distancia. El ministerio de defensa norteamericano trabaja en la actualidad en el estudio de estos escarabajos para desarrollar detectores infrarrojos para uso militar y de bajo coste.

La empresa Volvo, por su parte, estudia la asombrosa habilidad de las langostas para volar en masa sin chocar unas con otras, con el fin de crear un dispositivo de anti colisión en los coches. El Gobierno norteamericano está desarrollando en la actualidad un robot que puede escalar superficies verticales usando el mismo principio que emplean algunos insectos para escalar las paredes y para pasearse boca abajo por los techos. La nanoescala es un paso más en el aprendizaje de lo que ya está hecho en la biología.