Uncrackable: escorpiones y esponjas inspiran el diseño sostenible

"En el mundo natural, los materiales han evolucionado a lo largo de millones de años, en entornos a menudo definidos por recursos limitados y condiciones duras", explica el profesor Daniel Wagner, del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales de Weizmann, que lleva varias décadas estudiando los aspectos mecánicos de los materiales naturales. "Nuestro punto de partida fue la intuición de que las estructuras biológicas que nos rodean -árboles, plantas, huesos, esqueletos de diversos organismos- se desarrollaron de un modo que es, por definición, sostenible".

"En este sentido, la durabilidad es clave", afirma el Dr. Israel Greenfeld, coautor del estudio. "Los organismos vivos, por ejemplo, despliegan una serie de estrategias especializadas para hacer frente a las fuerzas externas gastando la menor cantidad de energía posible; por eso hay tanto que aprender de la naturaleza, mientras intentamos desarrollar materiales propios más resistentes y duraderos."

"Aumentar la resistencia de un material suele conllevar una merma de la flexibilidad. Pero la naturaleza ha desarrollado estructuras que logran ambas cosas sin concesiones"

Los materiales mejorados y eficientes ofrecen una importante vía hacia un futuro más sostenible porque pueden generar menos residuos y reducir la necesidad de combustible. Pero cualquier intento de mejorar una propiedad ventajosa de un material suele ir en detrimento de otro de sus atributos. Aumentar la resistencia, por ejemplo, suele conllevar un aumento del peso o una disminución de la flexibilidad.

"Resulta que la naturaleza encuentra formas asombrosas de optimizar el equilibrio", afirma Greenfeld. Una característica de optimización que se encuentra en una variedad de sustancias orgánicas resistentes es la construcción laminada: materiales compuestos de distintas sustancias superpuestas o entrelazadas. Este tipo de material compuesto suele presentar resistencia y elasticidad, al tiempo que mantiene otras propiedades beneficiosas, como ser ligero y flexible.

En el nuevo estudio, Wagner y Greenfeld examinaron dos laminados naturales que muestran un grado excepcional de dureza: el caparazón exterior, o cutícula, de un escorpión y el esqueleto interior, o espícula, de una esponja marina. Los investigadores descubrieron que el secreto de su resistencia reside en la gradación, una estrategia especializada que rara vez se encuentra en los materiales fabricados por el hombre: un cambio gradual de las propiedades de una capa a otra.

En ambas criaturas, las distintas capas varían en grosor y, en el caparazón del escorpión, también disminuyen en rigidez de exterior a interior, de modo que la superficie que se enfrenta al duro mundo en el que habita el escorpión tiene mayor resistencia que el interior de su caparazón. De hecho, el estudio del escorpión realizado por los investigadores -que se basó en el trabajo iniciado en Weizmann por el Dr. Israel Kellersztein, antiguo alumno del equipo de Wagner- demostró que el complejo caparazón del organismo es un compuesto formado por ocho niveles estructurales diferentes.

Tanto en el escorpión como en la esponja, se descubrió que una sutil pero poderosa "reorganización" de las capas laminares servía como compensación biológica entre propiedades opuestas, ayudándoles a resistir los tipos de estrés a los que normalmente se enfrentan.

Descifrando el código

Gracias al escalonamiento, el caparazón del escorpión y el esqueleto de la esponja, además de ser duros y fuertes, resisten especialmente bien las grietas. Aunque difieren en cuanto a composición química y estructura, ambos optimizan esta resistencia utilizando el mismo principio: la desviación de la fractura. Esto significa que, en ambos organismos, las grietas se atenúan desviando su trayectoria. En cuanto una grieta empieza a surgir en el material, la estructura graduada de éste la "anima" a cambiar de rumbo y discurrir paralela a la superficie, en lugar de profundizar más, donde probablemente causaría daños estructurales más masivos, pudiendo provocar un colapso catastrófico.

Para entender mejor cómo funciona la gradación en ambos organismos, los investigadores adaptaron un modelo de la mecánica de fractura clásica, el campo que estudia cómo se rompen las cosas. El modelo demostró que, sin gradación, para obtener la misma resiliencia tanto en el escorpión como en la esponja se habrían necesitado medidas más dispendiosas, como componentes más gruesos. También demostró que la resiliencia se mejora desplazando más material a las regiones estructurales más críticas en términos de durabilidad.

Los investigadores no se detuvieron ahí. Demostraron cómo, en los materiales bioinspirados, la graduación podía utilizarse de formas que la naturaleza aún no había ideado. "Utilizando este modelo, pudimos cambiar los niveles de gradación de formas en las que el escorpión y la esponja no habían 'pensado'", dice Greenfeld.

Greenfeld y Wagner señalan que importar conceptos como la gradación a diseños hechos por humanos es todo un reto. "Para los humanos, este tipo de diseño es innovador", dice Greenfeld. "Las estructuras biológicas se crean de abajo arriba -desde minúsculos bloques de construcción nanométricos, a estructuras microscópicas, y de ahí a estructuras cada vez mayores-, mientras que en ingeniería no se suele empezar por el nivel molecular".

Aunque la estructura del escorpión es especialmente compleja, otras microestructuras naturales, como la de la esponja marina, pueden aplicarse más fácilmente a la ingeniería. En el esqueleto de la esponja, por ejemplo, aparte de la graduación, las grietas se ralentizan o detienen por el hecho de que las capas frágiles se intercalan con cantidades ínfimas de capas más blandas. "Es una cerámica, está hecha básicamente de sílice, no es el tipo de material del que normalmente se espera que muestre una fuerte resistencia a la fractura", afirma Wagner.

Los investigadores explican que un mejor conocimiento de las estrategias de los materiales compuestos naturales podría ayudar a los ingenieros a optimizar los materiales compuestos fabricados por el hombre, una amplia familia de materiales que abarca desde el omnipresente cemento hasta los laminados reforzados con fibras que se utilizan en la industria aeroespacial.

Números de ciencia

La cutícula del escorpión es delgada como un cabello, de unos 0,1 mm de grosor, y se compone de unas 20 capas formadas por muchos Bouligands anidados. Un Bouligand es una estructura helicoidal retorcida formada por unas 100 nanocapas de 50 nanómetros de grosor cada una. Una sola nanocapa está formada por fibrillas de quitina-proteína de 5 nanómetros de grosor, reunidas en fibras.

No copiar, exactamente

Wagner y Greenfeld, que trabajan juntos desde hace más de una década, tienen trayectorias profesionales diferentes. Wagner lleva mucho tiempo investigando la micromecánica de los materiales compuestos biológicos y de los nanomateriales artificiales, como los nanotubos de carbono y el grafeno. Greenfeld, por su parte, ha desarrollado su carrera en ingeniería aeronáutica, un campo en el que la eficiencia es clave. También se nutre de distintos campos del uso de materiales, desde el diseño estructural a la ingeniería de sistemas y la invención. "Al proceder del mundo de la creación práctica, el Dr. Greenfeld aporta una perspectiva diferente a nuestro laboratorio, y ambos nos beneficiamos de la colaboración", afirma Wagner.

"Nuestro trabajo no consiste exactamente en copiar", añade. "Se trata de inspirarnos en los diseños de la naturaleza".

"Cómo utilizar esta inspiración depende, por supuesto, de los objetivos de ingeniería de cada uno, pero también se trata de ampliar los horizontes de lo que uno puede hacer con la ingeniería", dice Greenfeld.

Resume Wagner: "Yo definiría la sostenibilidad como la capacidad de responder a las necesidades del presente sin perjudicar la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades. Consideramos la importancia de la durabilidad mecánica a través de este prisma: mejorar la resistencia al desgaste o mejorar la flexibilidad, y eso conduce a mejores resultados a largo plazo, tanto si se intenta ser más económico con el combustible como con las cantidades de materias primas que se necesitan en primer lugar."