Las arañas y los gusanos de seda son maestros de la ciencia de los materiales, pero los científicos finalmente se están poniendo al día. Las sedas se encuentran entre los materiales más resistentes que se conocen, más fuerte y menos quebradizo, libra por libra, que el acero. Ahora, los científicos del MIT han desentrañado algunos de sus secretos más profundos en la investigación que podrían abrir el camino a la creación de materiales sintéticos que se duplican, o incluso superar, las extraordinarias propiedades de la seda natural.
Markus Buehler, la Profesora Asociada Esther y Harold E. Edgerton en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, y su equipo estudian las propiedades fundamentales de los materiales y cómo fallan esos materiales. Con seda eso significó usar modelos de computadora que pueden simular no solo las estructuras de las moléculas, sino exactamente cómo se mueven e interactúan entre sí. Los modelos ayudaron a los investigadores a determinar los mecanismos moleculares y atómicos responsables de las notables propiedades mecánicas del material.
La combinación de fuerza y ductilidad de la seda, su capacidad para doblarse o estirarse sin romperse, es el resultado de una disposición inusual de enlaces atómicos que son inherentemente muy débiles. Buehler y su equipo encontraron. Estudiante de doctorado Sinan Keten, El asociado postdoctoral Zhiping Xu y la estudiante de pregrado Britni Ihle son coautores de un artículo sobre la investigación que se publicará el 14 de marzo en la revista. Materiales de la naturaleza .
Las sedas están hechas de proteínas, incluyendo algunos que se forman delgados, cristales planos llamados láminas beta. Estas hojas están conectadas entre sí a través de enlaces de hidrógeno, entre los tipos más débiles de enlaces químicos, diferente a, por ejemplo, los enlaces covalentes mucho más fuertes que se encuentran en la mayoría de las moléculas orgánicas. El equipo de Buehler llevó a cabo una serie de simulaciones por computadora a nivel atómico que investigaron los mecanismos de falla molecular en la seda. "Los cristales pequeños pero rígidos mostraron la capacidad de volver a formar rápidamente sus enlaces rotos, y como resultado fallan 'con gracia', es decir, gradualmente en lugar de repentinamente, "explica el estudiante de posgrado Keten.
"En la mayoría de los materiales de ingeniería":cerámica, por ejemplo, "la alta resistencia viene acompañada de fragilidad, "Dice Buehler." Una vez que se introduce la ductilidad, los materiales se debilitan ". Pero no la seda, que tiene una alta resistencia a pesar de estar construido a partir de bloques de construcción inherentemente débiles. Resulta que eso se debe a que estos bloques de construcción, los diminutos cristales de hoja beta, así como los filamentos que los unen, están dispuestos en una estructura que se asemeja a una pila alta de panqueques, pero con las estructuras cristalinas dentro de cada panqueque alternando en su orientación. Esta geometría particular de diminutos nanocristales de seda permite que los enlaces de hidrógeno funcionen de manera cooperativa, reforzar cadenas adyacentes contra fuerzas externas, lo que conduce a la sobresaliente extensibilidad y resistencia de la seda de araña.
Un hallazgo sorprendente del nuevo trabajo es que existe una dependencia crítica de las propiedades de la seda en el tamaño exacto de estos cristales de hoja beta dentro de las fibras. Cuando el tamaño del cristal es de unos tres nanómetros, el material tiene sus características ultrarresistentes y dúctiles. Pero deja que esos cristales crezcan más allá de los cinco nanómetros, y el material se vuelve débil y quebradizo.
Buehler dice que el trabajo tiene implicaciones mucho más allá de la simple comprensión de la seda. Señala que los hallazgos podrían aplicarse a una clase más amplia de materiales biológicos, como madera o fibras vegetales, y materiales bioinspirados, como fibras novedosas, hilados y tejidos o materiales de sustitución de tejidos, para producir una variedad de materiales útiles a partir de elementos comunes. Por ejemplo, él y su equipo están estudiando la posibilidad de sintetizar materiales que tengan una estructura similar a la seda, pero usando moléculas que tienen inherentemente mayor fuerza, como los nanotubos de carbono.
El impacto a largo plazo de esta investigación, Buehler dice:será el desarrollo de un nuevo paradigma de diseño de materiales que permita la creación de materiales altamente funcionales a partir de abundantes, materiales económicos. Esto sería una desviación del enfoque actual, donde fuertes lazos, componentes caros, y el procesamiento intensivo de energía (a altas temperaturas) se utilizan para obtener materiales de alto rendimiento.
Peter Fratzl, profesor en el departamento de biomateriales del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, Alemania, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice que "la fuerza de este equipo es su enfoque teórico pionero de múltiples escalas" para analizar materiales naturales. Agrega que esta es "la primera evidencia del modelado teórico de cómo los enlaces de hidrógeno, tan débiles como pueden ser, puede proporcionar alta resistencia y tenacidad si se coloca de manera adecuada dentro del material ".
El profesor de biomateriales Thomas Scheibel de la Universidad de Bayreuth, Alemania, que tampoco estuvo involucrado en este trabajo, dice que el trabajo de Buehler es del "más alto calibre, "y estimulará muchas más investigaciones. El enfoque del equipo del MIT, él dice, "proporcionará una base para una mejor comprensión de ciertos fenómenos biológicos que hasta ahora no se han comprendido".
