En las profundidades oscuras del océano, donde la presión es aplastante, habita un ingeniero maestro: la esponja marina. Su esqueleto, una intrincada red de espículas de sílice, es una obra de ingeniería que combina ligereza y resistencia de una manera que desafía nuestra comprensión. Mientras tanto, en los desiertos más áridos, el escorpión, con su exoesqueleto duro como el acero, se mueve con agilidad y fuerza, resistiendo las condiciones más extremas. ¿Qué secretos esconden estas criaturas tan diferentes entre sí?
La respuesta podría revolucionar la forma en que construimos y diseñamos los materiales del futuro. Al igual que el escorpión ha desarrollado una armadura impenetrable para protegerse de sus depredadores, podemos inspirarnos en su diseño para crear materiales más seguros y duraderos. Y, al igual que la esponja marina ha construido un esqueleto ligero y flexible para adaptarse a su entorno, podemos imitar su estructura para desarrollar materiales más eficientes y sostenibles.
La búsqueda de materiales más sostenibles ha llevado a los científicos a explorar rincones insospechados de la naturaleza. Un equipo del Instituto de Ciencias Weizmann ha descubierto que criaturas como los escorpiones y las esponjas poseen estructuras biológicas que han evolucionado para resistir condiciones extremas. Al analizar estos organismos desde una perspectiva interdisciplinaria que combina la química, la física y la biología, los investigadores buscan desentrañar los secretos de su diseño y aplicarlos a la creación de materiales más eficientes y duraderos.
Los materiales más eficientes y sostenibles son cruciales para construir un futuro más verde; sin embargo, mejorar una propiedad de un material a menudo implica sacrificar otra. La naturaleza, en cambio, ha perfeccionado el arte de optimizar múltiples propiedades en un solo material.
Un ejemplo de esta maestría son los laminados naturales, como la cutícula del escorpión y la espícula de la esponja marina. Estos materiales compuestos, formados por capas superpuestas, combinan de manera excepcional resistencia y resiliencia sin comprometer su ligereza o flexibilidad. La clave de su éxito reside en un principio sencillo pero poderoso: la gradación. Al variar gradualmente las propiedades de cada capa, estos materiales logran un equilibrio óptimo entre diferentes características.
Para arquitectos y constructores, esta gradación tiene implicaciones prácticas. Imagine materiales para fachadas que sean resistentes al impacto en el exterior y más aislantes térmicamente en su núcleo. Inspirados por la naturaleza, se podrían crear paneles compuestos que ofrezcan mayor seguridad y eficiencia energética, ideales para edificios en zonas sísmicas o climas extremos.
La variación en el grosor y la rigidez de las capas en el escorpión y la esponja revela una sofisticación estructural que ha inspirado a los ingenieros. El caparazón del escorpión, en particular, ha sido objeto de un estudio detallado por el equipo de Wagner, siguiendo los trabajos pioneros del Dr. Israel Kellersztein. Este estudio ha desvelado una estructura multicapa compuesta por ocho niveles distintos, donde la capa exterior, más rígida, actúa como una barrera protectora. Este diseño jerárquico ofrece una valiosa lección para el desarrollo de materiales compuestos con propiedades mecánicas optimizadas.
Por ejemplo, los pisos de alto tráfico, como los de aeropuertos o centros comerciales, podrían beneficiarse de estructuras similares. Un diseño multicapa podría ofrecer resistencia al desgaste en la superficie, combinada con una base que absorba impactos para mayor durabilidad.
Observada a través de un microscopio electrónico, la cutícula de un escorpión revela una obra maestra de ingeniería natural. Las capas que componen esta armadura externa varían gradualmente en grosor y flexibilidad, creando una estructura que es a la vez resistente y ligera. Este diseño inteligente, perfeccionado a lo largo de millones de años de evolución, inspira a los ingenieros a desarrollar materiales que maximicen la resistencia minimizando el uso de recursos. Al igual que el escorpión, la esponja marina exhibe una intrincada organización de sus capas internas, lo que le permite soportar las presiones del entorno marino. En ambos casos, la naturaleza ha encontrado un equilibrio perfecto entre protección y eficiencia, ofreciendo valiosas lecciones para el diseño sostenible.
En la construcción de puentes o estructuras expuestas a climas extremos, materiales inspirados en estas características podrían reducir el mantenimiento y alargar su vida útil. La capacidad de "repararse" naturalmente o desviar grietas podría ahorrar millones en reparaciones.
La granulometría, es decir, la distribución de partículas de diferentes tamaños, es la clave para la extraordinaria resistencia a las fracturas del caparazón del escorpión y el esqueleto de la esponja. Al incorporar partículas de diversos tamaños, estos organismos crean una red compleja que dificulta la propagación de las grietas. Cuando una grieta comienza a formarse, la granulometría la "obliga" a cambiar de dirección, corriendo paralela a la superficie en lugar de penetrar en profundidad. Este mecanismo, que hemos simulado computacionalmente, revela cómo la naturaleza ha optimizado la resistencia de los materiales a través de una estrategia simple pero efectiva.
Enfatizando la eficiencia de la naturaleza
La naturaleza, en su ingenio, ha diseñado materiales que son a la vez fuertes y resistentes a las fracturas. Tanto el caparazón del escorpión como el esqueleto de la esponja, a pesar de sus diferentes composiciones, comparten una estrategia común: la deflexión de las grietas. Al incorporar partículas de diversos tamaños (granulometría), estos organismos "desvían" las grietas, evitando que penetren profundamente y causen daños catastróficos. Este mecanismo, que hemos modelado matemáticamente, demuestra que la naturaleza ha encontrado una solución elegante y eficiente para optimizar la resistencia de los materiales, utilizando menos material y distribuyéndolo de manera estratégica.
Los investigadores dieron un paso más allá de la simple observación de la naturaleza. Tomando como punto de partida los principios de clasificación jerárquica presentes en materiales biológicos, desarrollaron un modelo que les permitió explorar nuevas posibilidades. "Utilizando este modelo", explica Greenfeld, "pudimos ir más allá de lo que la evolución había logrado, creando materiales con propiedades personalizadas".
Wagner y Greenfeld, una dupla que combina la rigurosidad de la ciencia básica con la agudeza de la ingeniería, han dedicado más de una década a desentrañar los secretos de los materiales naturales. Wagner, con su vasta experiencia en la micromecánica de materiales biológicos y artificiales, aporta una profunda comprensión de las estructuras a nanoescala. Por su parte, Greenfeld, proveniente de la ingeniería aeronáutica, aporta una perspectiva práctica y un conocimiento exhaustivo de los requisitos de la industria. Esta combinación única ha permitido a ambos investigadores explorar nuevos horizontes en el diseño de materiales inspirados en la naturaleza.
La sostenibilidad, según Wagner, se basa en un equilibrio entre las necesidades presentes y futuras. La durabilidad mecánica juega un papel crucial en este equilibrio, ya que, al mejorar la resistencia y la flexibilidad de los materiales, se reduce la necesidad de reemplazarlos con frecuencia.
Esta investigación, apoyada por el Centro Tom y Mary Beck y el Instituto Ilse Katz, demuestra cómo la inspiración en la naturaleza puede conducir a soluciones innovadoras que promuevan un futuro más sostenible.
Referencia:
De Ciencias, I. W. (2024, 18 octubre). Escorpiones y esponjas inspiran el diseño de materiales sostenibles y resilientes. Infobae. https://www.infobae.com/america/medio-ambiente/2024/10/15/escorpiones-y-esponjas-inspiran-el-diseno-de-materiales-sostenibles-y-resilientes/?outputType=amp-type#amp_tf=De%20%251%24s&aoh=17289993317220&csi=0&referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%C3%A7
