Las conchas de las caracolas inspiran nuevos materiales

Especialistas de la Universidad de Cambridge han encontrado determinadas características en las conchas de las caracolas de mar que podrían utilizarse para desarrollar una nueva generación de materiales compuestos, de importante impacto en sectores como la construcción o el diseño de aeronaves, por ejemplo. Diminutos cristales de carbonato de calcio que integran las conchas facilitarían su elevado grado de resistencia, abriendo al mismo tiempo nuevas oportunidades a los ingenieros para el desarrollo de materiales más eficientes.

Las conchas de las caracolas de mar están compuestas por alrededor de un 95% de carbonato de calcio, mientras que el restante 5% es materia orgánica. De acuerdo a los investigadores de Cambridge, las conchas pueden servir como un ejemplo de fuerza y resistencia en la búsqueda de nuevos materiales para la arquitectura, la ingeniería, la construcción y el diseño aeroespacial.

El equipo de ingenieros, conducido por David Williamson y Bill Proud, ha estudiado cómo estos organismos construyen conchas tan duras para protegerse, compuestas de sustancias aparentemente débiles. Han descubierto que la clave de la fortaleza de la concha del caracol de mar reside en el pequeño tamaño de los cristales de carbonato de calcio que la conforman.

La investigación del equipo de especialistas de Cambridge fue publicada por el International Journal of Materials Engineering Innovation, y puede apreciarse en un paper difundido por la Universidad de Cambridge, como así también en artículos de los medios especializados Alpha Galileo y Science Daily.

El secreto del éxito

Los cristales de carbonato de calcio están por debajo del umbral de tamaño aplicado en la teoría de la fractura de Griffith, un postulado que analiza la forma en la cual los materiales frágiles tienden a fallar. Esta condición permite que las conchas, tan duras como el acero suave, sean lo suficientemente fuertes como para proteger a los caracoles de los distintos depredadores.

En 1920, Alan Arnold Griffith explicó por primera vez que los materiales no son tan fuertes en la realidad como los cálculos teóricos sugieren, ya que la presencia de grietas diminutas aumenta la tensión aplicada, provocando la posibilidad de una avería prematura. Griffith también destacó que la fuerza efectiva de los materiales técnicos podría aumentar varias decenas de veces si estos defectos pudieran ser eliminados.

En ese momento no se conocían los biomateriales y la forma en que sus propiedades podrían algún día ser utilizadas para crear materiales biomiméticos de fuerza mucho mayor que los disponibles en la industria. Es así que el trabajo de Griffith se ha utilizado para mejorar la comprensión de las conchas de caracoles de mar y otros biomateriales.

Esto ha permitido a los ingenieros y científicos producir nuevos materiales biomiméticos compuestos, en una tendencia que marca un crecimiento exponencial en la última década. Según el trabajo de los expertos de Cambridge, cada cristal de carbonato de calcio que compone las conchas de las caracolas de mar posee solamente entre 60 y 130 nanómetros de espesor y alrededor de 100 a 380 nanómetros de diámetro.

Caminos a seguir

Para desarrollar nuevos materiales biomiméticos, los investigadores podrían adoptar el tamaño de los pequeños cristales para aplicarlo en sus compuestos, como así también la estructura en capas cruzadas de la concha de los caracoles de mar. Este sería el paso inicial para la creación de los nuevos materiales.

Sin embargo, para ser verdaderamente biomiméticos, los nuevos materiales también tendrían que incorporar otra característica fundamental de la materia viva: la capacidad de autocuración. Cuando la caracola de mar es atacada por un depredador y la concha lo protege de la agresión, igualmente se producen lesiones y daños, pero los tejidos vivos pueden llevar a cabo las reparaciones en forma autónoma.

Los científicos han descubierto que ciertos polímeros pueden ser sometidos a tratamiento térmico con el propósito de lograr esta capacidad. En consecuencia, la investigación ampliada podría permitir el desarrollo de nuevos compuestos cristalinos que imiten a las conchas de las caracolas de mar en su capacidad autoregenerativa.

De todas formas, el equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge concluye que es importante considerar a estos biomateriales como fuentes de inspiración, pero no como prototipos a ser replicados al detalle, como si se tratara de copias exactas. Sin dudas, el avance puede tener una importante aplicación en todas aquellas áreas en las cuales se requieren materiales de mayor fortaleza, durabilidad y eficacia.