Las bacterias como herreros
Nuevo método para ensamblar materiales no convencionales
Un baño caliente es un lugar para relajarse. Para los científicos, también es el lugar donde las moléculas o diminutos bloques de construcción se reúnen para formar materiales. Los investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) lo llevan al siguiente nivel y utilizan la energía de las bacterias nadadoras para forjar materiales. Un estudio reciente en Nature Physics nos muestra cómo funciona y los posibles beneficios para la sostenibilidad que pueden derivarse de este enfoque innovador.
Uno nunca sabe cuándo le asaltarán ideas deslumbrantes. A veces surgen de los lugares más inesperados, como un gimnasio de rocas en Viena. Tal fue el caso de Daniel Grober, estudiante graduado de ISTA en el grupo de investigación del físico Jérémie Palacci, que había estado trabajando en cómo ensamblar materiales aprovechando la energía de las bacterias nadadoras, y Mehmet Can Uçar, postdoctorado en el grupo de Edouard Hannezo. Impulsados por su pasión común por la ciencia y la escalada, los debates en el gimnasio se convirtieron en un modelo en papel del experimento de Grober. Su concepto cautivó a Ivan Palaia, un posdoctorado del grupo de Anđela Šarić, que decidió unirse al grupo de trabajo.
Juntos, este dinámico trío formado por todos los miembros de ISTA se embarcó en un esfuerzo de colaboración que ahora alcanza su punto álgido con un artículo publicado hoy en Nature Physics. El estudio muestra una novedosa estrategia experimental para fabricar materiales a partir de pequeños bloques de construcción. Traslada ideas de la metalurgia -el fino arte de la herrería, donde los ciclos de alta temperatura y enfriamiento lento fijan la estructura de un material- a los materiales blandos, utilizando la actividad de un baño de bacterias nadadoras.
¿Qué son los baños activos?
En el grupo de investigación de Jérémie Palacci, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria, todo gira en torno a partículas microscópicas. "Nuestro trabajo gira en torno a minúsculos bloques de construcción tipo 'Lego' que son cien veces más pequeños que un pelo. Intentamos entender cómo estos componentes se unen y forman estructuras mayores", explica. Cuando estos bloques de construcción se suspenden en el agua, se agitan debido a la temperatura, que proporciona la energía necesaria para que las partículas salten de un lado a otro aleatoriamente. Un fenómeno racionalizado por primera vez por Einstein en 1905 y conocido como movimiento browniano.
Para introducir orden en medio del caos, resulta beneficioso añadir un "agente activo" al agua. El resultado es lo que se conoce como un "baño activo", en el que el agente actúa como un pequeño fuego. En principio, con esta energía extra se puede aspirar a controlar el ensamblaje y las propiedades de los materiales, a la manera en que forja el herrero. Sin embargo, hasta ahora nunca se había explorado un enfoque en el que, por ejemplo, se utilizaran bacterias para forjar.
Bacterias: el fuego
El estudiante de Palacci, Daniel Grober, asumió este reto y empezó a construir un baño activo de este tipo con características inspiradas en la metalurgia. Grober afirma: "Utilizamos bacterias E. coli como agente activo, ya que su movimiento natatorio proporcionaba energía y una especie de agitación - "temperatura" para un físico, equivalente a 2000 °C, similar a la necesaria para elaborar metales-. Pero como está hecho por bacterias y no es un horno de verdad, sigue siendo lo bastante suave como para utilizarlo con geles y materiales blandos sin quemarlos". Los bloques de construcción eran partículas microscópicas en forma de coloides pegajosos -perlas redondas que se pegan al entrar en contacto. La idea dio buenos resultados. Las bacterias nadadoras amplificaron eficazmente el movimiento de las perlas, dando lugar a la formación de agregaciones y estructuras similares a geles.
Bailar al ritmo de las bacterias
Además, la observación de estas agrupaciones recién formadas mostró una singularidad intrigante. En todo momento, los agregados giraban en el sentido de las agujas del reloj, pero muy lentamente. Para arrojar luz sobre esta observación, Grober realizó un análisis estadístico del movimiento del sistema. Confirmó una rotación lenta y persistente de los agregados que tiene su origen en el giro en el sentido de las agujas del reloj (quiralidad) de los flagelos de E. coli, los minúsculos apéndices que impulsan a las bacterias en su movimiento. El científico sospechaba que el movimiento de rotación desempeñaba un papel fundamental en la formación de las estructuras poco convencionales que observaba.
La presentación de su trabajo en una reunión semanal de laboratorio intrigó a su colega Ivan Palaia, lo que condujo a la comprensión del fenómeno. Palaia propuso un modelo computacional mínimo para captar la quiralidad del baño bacteriano sin simular las bacterias nadadoras. Las simulaciones informáticas se validaron primero reproduciendo cuantitativamente los resultados experimentales antes de proporcionar una comprensión más profunda del mecanismo. El modelo confirmó el papel destacado de la rotación en la conformación de geles, al formar estructuras notables con propiedades mecánicas exóticas que no pueden conseguirse convencionalmente.
Más en el futuro
La utilización de baños bacterianos para ensamblar materiales poco convencionales es muy prometedora. Por ejemplo, aunque el estudio se limitó a estructuras 2D a escala micrométrica, el método se diseñó por su potencial de ampliación. "Con este método innovador, en teoría sería posible construir muestras tridimensionales lo bastante grandes como para sostenerlas en la palma de la mano", añade Palacci. añade Palacci. Este avance también podría mejorar la sostenibilidad de la producción de materiales al aprovechar la energía de las bacterias en lugar de depender de fuentes de energía externas.
Por último, el estudio sirve como prueba de concepto, sentando las bases del proyecto de Palacci financiado por el ERC denominado "VULCAN: materia impulsada desde dentro" y subraya una vez más la importancia de la colaboración interdisciplinar en la ciencia que impulsa la innovación. "El proyecto nunca habría alcanzado esta profundidad conceptual y cuantitativa sin el trabajo de colaboración fomentado por la ISTA", concluye Palacci.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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