Un equipo internacional dirigido por investigadores del Technion-Israel Institute of Technology, junto con colegas del Sincrotrón Europeo, Grenoble, Francia, han descubierto cómo un equinodermo llamado Ophiocoma wendtii, conocida como una estrella quebradiza, Puede crear material como vidrio templado bajo el agua. Los hallazgos se publican en Ciencias y puede abrir nuevas rutas bioinspiradas para endurecer cerámicas quebradizas en diversas aplicaciones que abarcan desde lentes ópticas hasta turbocompresores de automóviles e incluso implantes de biomateriales.

Cientos de lentes focales se encuentran en los brazos de una estrella quebradiza. Estos lentes, hecho de carbonato de calcio, son potentes y precisos, y el estudio de su estructura cristalina y a nanoescala ha ocupado a Boaz Pokroy y su equipo, del Instituto de Tecnología Technion-Israel, por los últimos tres años. Gracias a la investigación realizada en tres líneas de luz ESRF, ID22, ID13 y ID16B, entre otros laboratorios, han descubierto el mecanismo de protección único de las lentes de alta resistencia.

Como ejemplo, tomar vidrio templado. Se produce ejerciendo una presión compresiva sobre el vidrio que lo comprime y lo deja más compacto que en su estado natural. El templado del vidrio se realiza calentando rápidamente y luego enfriando rápidamente el material. En este proceso, el exterior del material se enfría más rápidamente que el interior y, por lo tanto, comprime el interior. Las lentes de Ophiocoma wendtii se crean en mar abierto, a temperatura ambiente, a diferencia del vidrio templado. "Hemos descubierto una estrategia para hacer que el material frágil sea mucho más duradero en condiciones naturales. Es 'ingeniería de cristales, "y templado sin calentar ni templar, un proceso que puede resultar muy útil en la ingeniería de materiales, "explica Pokroy.

La formación de lentes de calcita se descubrió gracias a una larga serie de experimentos en la ESRF, y el microscopio electrónico de transmisión Titán en el Technion. "Cuando llegamos al ESRF por primera vez, no esperábamos que nuestra investigación alcanzara estos resultados, "dice Pokroy. El equipo llegó primero a ID22, donde utilizaron difracción de rayos X en polvo para mirar el material en forma de polvo mientras lo calentaban. "Entendimos que teníamos nanodominios después de este experimento, así que hicimos algo de microscopía electrónica de transmisión en casa, luego llegó a ID13 para mapear los nanodominios y finalmente a ID16 para hacer una tomografía sobre cómo las diferentes partículas se organizan en diferentes capas, " él añade.

Los investigadores internacionales descubrieron que la etapa crucial en el proceso de formación de la lente es la transición de la fase amorfa, la fase entre líquido y sólido, a la fase cristalina. En este punto, nanopartículas de calcita, que son ricos en magnesio y se caracterizan por una densidad relativamente baja, separado del resto del material. La diferencia en la concentración de magnesio en las partículas de calcita provoca varios grados de dureza, densidad, y presión en diferentes regiones del material. Las partículas ricas en magnesio presionan la parte interior de la lente a medida que cristaliza y la "templan" para convertirla en un material cristalino transparente y resistente.

"La naturaleza exhibe una tremenda creatividad para mejorar las habilidades del organismo en diversos contextos, como la fuerza, sintiendo y autodefensa. Aquí, también, en el proceso de creación de lentes transparentes resistentes y precisas, Vemos una enorme eficiencia en el uso de materias primas existentes en condiciones del entorno natural ". Los ingenieros ahora pueden utilizar esta bioestrategia recién descubierta para endurecer y fortalecer materiales cerámicos sintéticos en diversas aplicaciones que van desde lentes ópticas hasta turbocompresores de automóviles e incluso implantes de biomateriales.