Las propiedades de los hilos de tela de araña deben a su diseño nanoestructurado.
En su evolución, la naturaleza ha encontrado las formas más óptimas de funcionamiento basándose en los tamaños nanométricos. Por citar sólo algunos ejemplos, mediante nanotecnología la naturaleza consigue construir materiales de extraordinaria dureza, almacenar energía con rendimientos fabulosos (fotosíntesis) o desarrollar cerebros que son capaces procesar información mejor que ningún ordenador.
En palabras del científico y divulgador Amador Menéndez Velázquez: "Para lograr tales hazañas, la naturaleza ha venido trabajando desde hace mucho tiempo en la nanoescala. Trece mil ochocientos millones de años en I+D+I, desde ese primer momento en que tuvo lugar la Gran Explosión, la avalan".
La superioridad que muestra el funcionamiento de los sistemas naturales en cuanto a eficiencia, rendimientos, reutilización de residuos, sensibilidad, rentabilidad, calidad… hace que cada vez con mayor frecuencia intentemos aprender, imitar, copiar o intentar adaptar las soluciones que ella ha encontrado a los problemas que nosotros nos planteamos.
La perfección del hilo que fabrican las arañas
El hilo que tejen las arañas es otro ejemplo de cómo en la naturaleza encontramos materiales de propiedades excepcionales, fabricados con estrategias nanotecnológicas. Las extraordinarias propiedades mecánicas de los filamentos que hilan las arañas aún no han sido superadas por las fibras artificiales. Además estos hilos son biocompatibles, biodegradables, y muy resistentes a la humedad, al frío, al calor y al fuego.
El estudio de estos hilos aporta conocimiento sobre cómo mejorar las fibras que fabricamos los humanos. El profesor Manuel Elices Calafat junto con los investigadores José Pérez-Rigueiro, Gustavo R. Plaza, y el profesor Gustavo V. Guinea de la Universidad Politécnica de Madrid han dedicado parte de su esfuerzo investigador a entender el porqué de estas excepcionales características y desarrollar nuevos procesos que permiten mejorar la fabricación de fibras artificiales. En concreto, han modificado el proceso de hilado tradicional, deformando el hilo en medio acuoso, con el fin de mejorar las propiedades de las fibras sintéticas.
Las arañas: unas extraordinarias ingenieras
Las arañas son unas ingenieras extraordinarias, tanto por el diseño de la estructura de la telaraña como por la fabricación de fibras de tan alta calidad.
En palabras del Prof. Manuel Elices: "La telaraña es un prodigio de Ingeniería que no deja de sorprendernos a medida que profundizamos en su estudio…. Parece ser que la evolución la ha orientado hacia una estructura destinada a resistir eficazmente el impacto de las presas y, a la vez, minimizar los materiales utilizados y el tiempo de su construcción; un gran reto para cualquier ingeniero de nuestro tiempo. La naturaleza lo ha conseguido optimizando el diseño estructural y la fabricación de los materiales. La estructura de la red está optimizada para diversas funciones, entre ellas: repartir eficientemente las acciones exteriores, atrapar las presas y ser tolerante al daño (un nuevo concepto que los ingenieros empiezan a tener en cuenta en el diseño de estructuras)".
Las sobresalientes propiedades mecánicas de los hilos
Tal y como detalla M. Elices, aunque la resistencia de los hilos de las humildes arañas es insólita, "lo verdaderamente asombroso es la combinación de resistencia y deformabilidad: los hilos de acero, o las fibras de altas prestaciones, rompen con una deformación del 1 o del 2%, mientras que los hilos de seda que estamos considerando lo hacen con deformaciones del 30%. Estas dos propiedades juntas —gran resistencia y deformabilidad— son las que hacen único al hilo de seda, porque permiten que el hilo pueda almacenar una gran cantidad de energía antes de romperse; 130 kJ/kg para el hilo de araña, frente a 30 kJ/kg para el Kevlar y apenas 4 kJ/kg para el acero".
Se ha calculado que si se consiguiera fabricar una tela de araña a escala humana, esta podría detener un Boeing 747 en pleno vuelo. Parece ser que los superpoderes de Spiderman son más realistas de lo que pudiéramos pensar a priori.
Nanoestructura de los hilos de araña
Las fibras que hilan las arañas exhiben, al igual que otros biomateriales, una estructura jerárquica. Las subfibras que forman los hilos tienen alrededor de 5 nm de diámetro. Dentro de cada subfibra, ciertos aminoácidos (los constituyentes de las proteínas) se ordenan formando cristales de unos 10 nm de longitud, mientras que otros se colocan alrededor formando una matriz elástica amorfa. Es la combinación de estas dos estructuras, los cristales duros y el medio elástico circundante la que le da al hilo sus propiedades extraordinarias.
Esquema de la estructura del hilo de araña. Dentro de una hebra típica conviven zonas cristalinas duras (bloques amarillos) separadas por uniones de material amorfo elástico.
Las hebras, además, contienen otros componentes fundamentales para mantener una buena hidratación y para estar protegidas de bacterias y hongos.
Futuras aplicaciones biomédicas de estas fibras nanoestructuradas
Como explica el prof. Manuel Elices: "En la actualidad, los hilos de seda de las arañas empiezan a considerarse seriamente como candidatos para suturas, por sus superiores propiedades mecánicas y menos riesgos de reacciones alérgicas (al no estar recubiertos de sericina). Además, se han medido sus propiedades mecánicas a distintas temperaturas y se ha observado que las mantienen bastante bien hasta 150˚C, lo que sugiere que estas fibras se pueden esterilizar por calor antes de usarlas en cirugía".
"Los hilos de seda tendrán un gran protagonismo en los implantes de tejidos y órganos…La ingeniería de tejidos busca materiales que proporcionen a las células implantadas un sustrato —un andamio— para que se adhieran y un soporte físico que guíe la formación de nuevos órganos. Las células trasplantadas adheridas al andamio, proliferan, segregan sus propias matrices extracelulares, y estimulan la formación de nuevos tejidos. Durante este proceso, el andamiaje se va degradando y puede llegar a desparecer. El biomaterial de la armadura debe ser un material multifuncional; capaz de facilitar la adhesión de las células, estimular su crecimiento y permitir la diferenciación. También debe ser biocompatible, poroso, resistente, maleable y biodegradable. Los hilos de seda de las arañas cumplen todos estos requisitos".
Otras aplicaciones
Otras aplicaciones de estas fibras con superpoderes son cinturones de seguridad, airbags, chalecos antibala, ropa ignífuga…¡ahora se entiende que gracias a esta superioridad tecnológica Spiderman sea capaz de acabar siempre con los malhechores!
Mónica Luna es investigadora en Nanociencia y Nanotecnología del Instituto de Microelectrónica de Madrid (CNM-CSIC).
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