Un nuevo estudio de investigadores del instituto israelí Weizmann mostró cómo los «trucos de diseño» empleados por criaturas como el escorpión y la esponja pueden ayudar a optimizar la resiliencia de los materiales fabricados por el hombre.
Los seres humanos, recordaron desde la universidad israelí, que tiene su sede en Rehovot, pocos kilómetros al sur de Tel Aviv, no estamos solos en la búsqueda de materiales más sostenibles: la naturaleza también viene «trabajando» en ese problema, y desde hace mucho más tiempo.
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En el mundo natural, apuntó el profesor Daniel Wagner, del Departamento de Química Molecular del Weizmann, los materiales evolucionaron a lo largo de millones de años «en entornos que a menudo se caracterizan por recursos limitados y condiciones adversas».
Wagner, que estudia los aspectos mecánicos de los materiales naturales desde hace décadas, dijo que el punto de partida de la investigación fue que «las estructuras biológicas que nos rodean, como árboles, plantas, huesos o esqueletos, se desarrollaron de una manera que es, por definición, sostenible».
Los organismos vivos, aportó el coautor del estudio, el doctor Israel Greenfeld, muestran «una variedad de estrategias especializadas para lidiar con fuerzas externas gastando la menor cantidad de energía».
Por eso, subrayó, hay tanto que aprender de la naturaleza» cuando «tratamos de desarrollar nuestros propios materiales más fuertes y duraderos».
Ventajas y costos
Está claro que los materiales mejorados y eficientes ofrecen una vía importante hacia un futuro más sostenible porque pueden dar lugar a una menor cantidad de residuos y una menor necesidad de combustible.
Pero cualquier intento de mejorar una propiedad ventajosa de un material -advirtieron desde la universidad israelí- tiende a producirse a expensas de otro de sus atributos.
Por ejemplo, aumentar la resistencia de un material normalmente dará lugar a un mayor peso o a una menor flexibilidad.
¿Cómo se puede resolver ese problema? Greenfeld aconsejó mirar hacia la naturaleza, que siempre «encuentra formas sorprendentes de optimizar el equilibrio».
Uno de los «trucos» que la naturaleza utiliza para lograr equilibrio entre resistencia y flexibilidad es la «construcción laminada», que son materiales compuestos de diferentes sustancias superpuestas o entrelazadas.
Ese tipo de material a menudo exhibe resistencia y resiliencia, al tiempo que mantiene otras propiedades beneficiosas, como ser liviano y flexible, comentaron Wagner y Greenfeld.
Laminados naturales y de excepcional dureza
En el nuevo estudio, los investigadores del Weizmann examinaron dos laminados naturales que muestran un grado excepcional de dureza: la capa exterior, o cutícula, de un escorpión y el esqueleto interior, o espícula, de una esponja marina.
Wagner y Greenfeld 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 ambos casos, las capas varían de grosor y, en el caso del caparazón del escorpión, también disminuyen su rigidez desde el exterior hacia el interior, de modo que la superficie que da al duro terreno que habita el escorpión tiene mayor resiliencia que el interior.
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De hecho, el estudio israelí sobre el escorpión mostró que su complejo caparazón es un compuesto construido a partir de ocho niveles estructurales diferentes.
Tanto en el escorpión como en la esponja se descubrió que una «reorganización» sutil pero poderosa de las capas laminadas funcionaba como compensación biológica entre propiedades en conflicto, ayudando a soportar los tipos de estrés a los que normalmente se enfrentan.
Gracias a ese proceso, encontró la investigación israelí, el caparazón del escorpión y el esqueleto de la esponja, además de ser fuertes, son especialmente resistentes a las rajaduras o quebraduras.
Cambiando el rumbo de las grietas
Aunque difieren en cuanto a composición química y estructura, ambos optimizan esta resistencia utilizando el mismo principio: la deflexión de la fractura: en ambos organismos, las grietas se mitigan desviando su trayectoria.
Apenas aparece en el material una resquebrajadura, la gradación del material la «incentiva» a cambiar de rumbo y a correr paralela a la superficie en lugar de ir más profundamente, donde probablemente causaría daños estructurales más graves y un colapso catastrófico.
Una mejor comprensión de las estrategias encontradas en estos materiales naturales, explicaron los investigadores, podría ayudar a optimizar los compuestos diseñados por el hombre, desde el cemento hasta los laminados reforzados con fibra de la industria aeroespacial.
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«Nuestro trabajo -retomaron Greenfeld y Wagner- no consiste exactamente en copiar», sino que «se trata de inspirarnos en los diseños de la naturaleza».
«Cómo utilizar esta inspiración depende, por supuesto, de los objetivos de ingeniería» en cada proyecto, «pero también se trata de ampliar los horizontes de lo que uno puede hacer con la ingeniería», completó Greenfeld.
