Imagina que eres un astronauta en una caminata espacial. Está haciendo su trabajo cuando de repente recibe una alerta:su traje tiene una fuga de oxígeno. En algún lugar hay un agujero en tu traje un agujero tan pequeño que no puedes encontrarlo.

Algunos materiales no deberían romperse porque los resultados serían catastróficos. ¿Y si en lugar de romperse, estos materiales podrían endurecerse en un punto débil? ¿Y si ese agujero en tu traje de astronauta pudiera curarse solo?

Los sistemas biológicos manejan este problema todo el tiempo. A veces, los dedos tienen callosidades para que no se corten. Los callos se forman cuando el estrés repetido hace que la piel se endurezca. La piel dura proporciona resistencia a la rotura. Pero a veces se cortan los dedos y la piel se recupera por sí sola formando una costra en la superficie.

"¿Cómo sabe el dispositivo qué regenerar y reparar?" pregunta Rebecca Schulman de la Universidad Johns Hopkins. "¿Es posible evitar por completo el problema de la autocuración?" La última pregunta es la misma que hace la piel:¿Necesitas formar un callo o una costra?

El futuro de la ciencia de los materiales abarca una variedad heterogénea de aplicaciones:baterías que se autoreparan, turbinas eólicas lo suficientemente robustas para soportar las fuerzas extremas que se les imponen, o dispositivos de larga duración que solo requieren el reemplazo de piezas pequeñas de vez en cuando. Antes de llegar a estas aplicaciones, estas preguntas científicas básicas necesitan respuesta. Estas preguntas son una de las razones por las que el Departamento de Energía (DOE) apoya la investigación en esta área en universidades y laboratorios nacionales de todo el país.

Tome una planta de energía nuclear. Los materiales de construcción alrededor del núcleo del reactor deben resistir el calor extremo y la radiación extrema. Si los materiales de construcción alrededor de las plantas de energía pudieran reaccionar y corregirse por sí mismos cuando experimentan calor o radiación elevados, entonces podrían reparar el daño antes de que se convierta en un problema.

"Los materiales son fundamentales para ayudarnos a gestionar nuestro consumo de energía y hacer que las cosas sean sostenibles, "dijo Michael Strano del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien dirige un esfuerzo del DOE en el MIT sobre materiales autocurativos que utilizan dióxido de carbono atmosférico.

Evitar la necesidad de reemplazar completamente los materiales es deseable no solo desde el punto de vista de la rentabilidad, pero también desde el punto de vista de la sostenibilidad. "Como ciencia, queremos hacer mejores materiales y mejores cosas, ", dijo Tomonori Saito del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE.

Mejores materiales significan menos desperdicio y menos necesidad de reemplazar elementos rotos y difuntos. La dificultad surge cuando se intenta hacer sintéticamente lo que la naturaleza hace sin pensar. En general, Hay dos formas de abordar este problema:hacer que los materiales sean resistentes para que no se rompan, o fabricar materiales que se curan a sí mismos cuando se rompen.

Previniendo roturas

Un enfoque es que los materiales reaccionen a un factor de estrés constante en el medio ambiente. Digamos que está golpeando repetidamente el cristal de una ventana con un martillo. ¿Qué pasa si el vidrio "sabe" hacerse más fuerte antes de romperse? El mismo tipo de proceso podría aplicarse a áreas de materiales flexibles, como las rodillas de tus jeans. A medida que ocurre el estrés repetido, como doblar las rodillas al caminar, el material se espesa alrededor de la articulación y se refuerza. Este proceso comienza examinando los mecanismos de autocorrección y protección que se encuentran en el mundo natural.

"Cuando los biólogos o biofísicos comprenden la escala molecular [del sistema], vemos eso y pensamos, "Oh, esto es genial. ¿Podemos diseñar un sistema sintético?", Dijo Zhibin Guan de la Universidad de California. Irvine.

La escala química o celular cuenta una historia vibrante sobre el proceso de los sistemas que se corrigen a sí mismos y, algunas veces, protegiéndose a sí mismos.

"En biología, muchos sistemas tienen una conexión en gradiente de tejidos duros a tejidos blandos. La interfaz de dura a blanda es fundamental, ", dijo Guan. Sin la interfaz de gradiente adecuada entre los diferentes tipos de tejidos, grandes fuerzas exteriores podrían provocar una ruptura en la conexión. La forma en que un sistema se ajusta y responde a una fuerza externa produce este contacto protector entre los tejidos duros y blandos.

El estudio de Guan se inspiró en la dura piel exterior de un gusano poliqueto. La mandíbula del gusano tiene una piel notablemente dura. La transición del cuerpo blando del gusano a la piel exterior resistente intrigó al grupo de investigación de Guan. La dura interfaz ocurre al aumentar los enlaces químicos entre las proteínas y los iones metálicos en la mandíbula del gusano. Usando la vinculación selectiva, la mandíbula se endurece, haciéndola capaz de soportar la fuerza de un mordisco.

Guan estudia esta interfaz entre los tejidos duros y blandos para replicarla en materiales sintéticos. En el laboratorio, toman polímeros formados por largos, repetir estructuras químicas e introducir iones metálicos para simular la composición de la mandíbula del gusano. Si el material pudiera sentir el área debilitada y reaccionar químicamente a ella, fortaleciendo el punto de la debilidad, el material no se rompería.

Al principio, el punto debilitado se forma cuando se producen microdaños. Tanto en la mandíbula del gusano como en los materiales sintéticos, este daño ocurre a nivel molecular. El estrés hace que se rompan pequeños enlaces entre los iones metálicos y las proteínas. Estos lazos, tenue para empezar, a veces reforma.

La dificultad surge cuando se trata de encontrar el término medio entre lo suficientemente resistente como para no romperse pero no tanto como para que el material se vuelva inflexible. Si el material continúa endureciéndose a medida que experimenta estrés, eventualmente llegará al punto en que es completamente rígido. Entonces será propenso a fallar por una razón diferente.

Idealmente, los materiales resistentes revertirían este proceso de espesamiento periódicamente para evitar que la rigidez se vuelva permanente. Comprender la química detrás de los procesos biológicos es la clave para señalar cuándo un material podría relajarse. Para entonces, la amenaza de una falla catastrófica habría pasado. El material podría reaccionar nuevamente cuando otro factor estresante afecte el sistema.

Sin embargo, como señaló Schulman, hay varias preguntas que responder antes de llegar a ese punto. Conseguir que un material responda al estrés es difícil incluso en un laboratorio. Si bien los sistemas biológicos tienen métodos para comunicar el daño, La señalización química en los sistemas sintéticos es más difícil que en los sistemas vivos. Los sistemas vivos tienen estructuras organizadas completas dedicadas a la señalización. Los materiales sintéticos a menudo consisten en uno o solo unos pocos tipos de unidades químicas sin una forma integrada de desencadenar este endurecimiento. Entonces, el segundo enfoque implica hacer materiales que curen las roturas cuando ocurren.

Arreglando una ruptura

Una falla catastrófica no tiene que ser grande y dramática para causar problemas serios. Tomemos el ejemplo del traje espacial. Una pequeña rotura en el material del traje puede ser catastrófica para el astronauta; hacer que el traje pueda curarse a sí mismo presenta una posible solución.

¿Qué hace que un material sea autocurativo? Como la piel se cura a sí misma estos materiales usan propiedades químicas para "curarse" a sí mismos.

En materiales sintéticos, la autocuración implica la reparación. Los enlaces químicos deben poder reformarse, especialmente después de fallas catastróficas. Una vez que el daño hace que el material falle, debe poder coserse a sí mismo como lo hace una herida en la piel.

Este tipo de reparación ocurre a nivel molecular. La investigación de Saito se centra en el desarrollo de novelas, polímeros autorreparables y con el objetivo de comprender esta respuesta química. Saito toma una hoja de un polímero especialmente preparado y lo rompe. A nivel químico, estos polímeros trabajan para reformar los enlaces y unirse entre sí. La clave es comprender el desencadenante químico que les dice que se unan.

Para usar esto sintéticamente, Schulman se inspira en las células. "Las células comunican lo que debe estar en una ubicación en particular, ", dijo." Usan señales inalámbricas a través de productos químicos ".

Traducir esta reacción de todo el sistema en un material sintético ha sido un desafío. Mientras que en los sistemas biológicos toda una red de señales reacciona a las roturas, un polímero sintético generalmente está hecho de solo unos pocos componentes. Cómo el material podría comunicarse con los componentes químicos para volver a unirlos es una propuesta particularmente difícil. El material tendría que detectar daños o roturas y reaccionar en consecuencia.

Schulman señaló que los materiales sintéticos no tienen la capacidad de recuperación de los sistemas biológicos. Cuando una pieza falla, todo el sistema falla a menudo. "Las células pueden vivir toda la vida del organismo, pero las proteínas giran muchas veces dentro de la célula, " ella dijo.

Mientras que la ciencia de los materiales que se centra en la autocuración se acerca a ese nivel químico extremo, el panorama general muestra las aplicaciones de los materiales autocurativos y la forma en que estas cosas pueden cambiar incluso las ideas fundamentales sobre cómo funciona la infraestructura.

A Strano le gusta comparar las posibilidades de los materiales autocurativos con la forma en que crece el tronco de un árbol. Los árboles respiran dióxido de carbono y nutrientes del suelo y los utilizan para construir el tronco. Al sacar sus materiales de construcción del aire, tienen acceso constante.

"El material puede volverse más fuerte con el tiempo, ", Dijo Strano. Cuando los materiales están rodeados por sus materiales de construcción, puede que no haya límite en cuanto a su duración.