Replicar la estructura de las plumas de las aves
El nuevo material podría utilizarse en baterías o filtración
Siguiendo el modelo de la naturaleza: los investigadores han desarrollado un nuevo material que reproduce la estructura responsable de las plumas azules del pájaro cantor norteamericano, entre otras muchas aves. También tiene otras ventajas sorprendentes.
El pájaro azul del este es un ave especial. El azul de sus plumas es único. Sin embargo, este color no se basa en pigmentos, sino en la estructura especial de la pluma. Vistas al microscopio, las plumas están atravesadas por una red de canales con un diámetro de apenas unos cientos de nanómetros. A modo de clasificación, un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro. El azul del pájaro azul llamó la atención de los investigadores de la ETH del Laboratorio de Materiales Blandos y Vivos dirigido por el antiguo profesor de la ETH Eric Dufresne. Tanto que decidieron reproducir este material en el laboratorio. Ahora lo han conseguido con un nuevo método: han desarrollado un material que presenta el mismo diseño estructural de las plumas del pájaro azul, al tiempo que ofrece potencial para aplicaciones prácticas gracias a sus nanorredes.
Replicado de la naturaleza
Los investigadores utilizaron como material de partida un caucho de silicona transparente que puede estirarse y deformarse. Los científicos colocaron este caucho en una solución aceitosa y lo dejaron hincharse durante varios días en un horno a temperaturas de 60 grados centígrados. Después la enfriaron y extrajeron la goma de la solución aceitosa.
Los investigadores pudieron observar al microscopio cómo había cambiado la nanoestructura del caucho durante el procedimiento, e identificaron estructuras de red similares a las que dan a la pluma del pájaro azul su color azul. La principal diferencia es el grosor de los canales formados: la pluma de ave medía aproximadamente 200 nanómetros y el material sintético 800 nanómetros.
El principio que subyace a la formación de la red es la separación de fases. Este fenómeno puede observarse en la cocina con un aliño para ensaladas hecho de aceite y vinagre. Mezclar los dos líquidos no es fácil y se consigue mejor agitándolos enérgicamente. Los líquidos vuelven a separarse en cuanto se deja de agitar. Sin embargo, también es posible mezclarlos calentándolos y enfriándolos de nuevo para separarlos. Este es precisamente el principio que aplicaron los investigadores para mezclar el caucho de silicona y la solución oleosa. El resultado fue la formación de toda una red microscópica de canales en el interior del caucho.
La autora principal, Carla Fernández Rico: "Somos capaces de controlar y seleccionar las condiciones de tal manera que se formen canales durante la separación de fases. Hemos conseguido detener el procedimiento antes de que las dos fases vuelvan a fusionarse por completo". Esta estructura en forma de canal es muy similar a la de las plumas de las aves.
La ventaja de este nuevo método es que el nuevo material tiene un tamaño de varios centímetros y sigue siendo escalable. "En principio, se podría utilizar un trozo de plástico gomoso de cualquier tamaño. Sin embargo, entonces también se necesitarían recipientes y hornos correspondientemente grandes", dice Fernández Rico.
La novedad de este método de procesamiento de materiales está generando mucho interés en la comunidad de físicos. "Tenemos un sistema simple hecho de sólo dos ingredientes, pero la estructura final obtenida es muy compleja y está controlada por las propiedades de los ingredientes", dice Fernández Rico. "Se nos han acercado varios grupos teóricos que proponen el uso de modelos físicos para entender los principios físicos clave de este nuevo proceso y predecir su resultado".
Mayor duración de las baterías y mejor filtración
El nuevo material ofrece potencial para aplicaciones técnicas y sostenibles. Las baterías son un posible campo de aplicación. En las baterías, los iones suelen moverse entre los electrodos a través de un líquido llamado electrolito. Una de las principales razones por las que las baterías pierden su capacidad de carga con el tiempo, o incluso acaban fallando, es porque los iones reaccionan con el electrolito líquido, lo que hace que los dos electrodos establezcan contacto físico y se dañe la batería. Los electrolitos líquidos podrían sustituirse por electrolitos sólidos con una estructura de red de canales interconectados, como la que muestran los investigadores de la ETH, que evitaría el contacto físico entre electrodos y mantendría un buen transporte de iones a través de la batería.
Otra aplicación podrían ser los filtros de agua. Las buenas propiedades de transporte a través de los canales interconectados y las grandes superficies son ventajosas en este caso. La relación entre superficie y volumen es enorme en el caso de las estructuras en forma de canal. Esto permite eliminar eficazmente del agua contaminantes como bacterias u otras partículas.
Desarrollar la investigación en la dirección de la sostenibilidad
"Sin embargo, aún falta mucho para que el producto esté listo para el mercado", afirma Fernández Rico. "Mientras que el material gomoso es barato y fácil de obtener, la fase aceitosa es bastante cara. Aquí se necesitaría un par de materiales menos caros".
Fernández Rico desea desarrollar sus futuras investigaciones con vistas a la sostenibilidad: "Muchos polímeros naturales, como la celulosa o la quitina, tienen una estructura similar al caucho utilizado en nuestro trabajo". Sin embargo, trabajar con un material natural como la celulosa es (más) respetuoso con el medio ambiente que con los cauchos de silicona derivados del petróleo. Por ello, la investigadora postdoctoral desea averiguar en el futuro cómo se pueden hacer más funcionales estos materiales para explotar su potencial.
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.
Publicación original
Carla Fernández-Rico, Sanjay Schreiber, Hamza Oudich, Charlotta Lorenz, Alba Sicher, Tianqi Sai, Viola Bauernfeind, Stefanie Heyden, Pietro Carrara, Laura De Lorenzis, Robert W. Style, Eric R. Dufresne; "Elastic microphase separation produces robust bicontinuous materials"; Nature Materials, 2023-10-26
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