Inspirándose en las cutículas de los escarabajos, los científicos han desarrollado estructuras ópticas que pueden producir colores vibrantes, iridiscentes y completamente biodegradables utilizando quitina, el segundo material orgánico más abundante del mundo.
"Las condiciones de escasez extrema han permitido que los materiales naturales evolucionen hasta convertirse en algunos de los materiales más extraordinarios de la Tierra, como la seda de araña increíblemente fuerte y las conchas marinas resistentes a los impactos", afirmó Javier Fernández, profesor asociado de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD).
A lo largo de la historia, los científicos han recurrido constantemente a la naturaleza en busca de inspiración para resolver problemas y desarrollar nuevas tecnologías, desde las máquinas voladoras de Da Vinci modeladas a partir de aves hasta eficientes trajes de baño que imitan la piel de un tiburón.
Hace una década, el profesor asociado Fernández propuso utilizar la naturaleza no solo como una fuente de inspiración para la ciencia de los materiales, sino también como un modelo de cómo deben organizarse las moléculas naturales para recrear las extraordinarias propiedades de los materiales naturales. "Hacer coincidir las moléculas naturales con su organización nativa permite su uso sin modificaciones, lo que da como resultado materiales que permanecen completamente integrados en los ciclos ecológicos naturales", añadió.
La investigación del profesor asociado Fernández en ingeniería bioinspirada se centra en la quitina. Como segunda molécula orgánica más abundante de la Tierra, la quitina es renovable y forma parte de cada ciclo ecológico. También es el material que la naturaleza utiliza para producir algunas de sus estructuras más excepcionales, como las alas ligeras y rígidas de un insecto, el exterior resistente de una concha marina y los colores extraordinarios de una mariposa. Por tanto, controlarlo tiene amplias implicaciones en ingeniería debido a su versatilidad y sostenibilidad.
En un estudio anterior, el profesor asociado Fernández y su equipo descubrieron que la quitina aislada puede agregarse y crear materiales fuertes manteniendo su función óptica. Su último estudio, "Producción artificial a gran escala de iridiscencia de cutículas de coleópteros y su uso en recubrimientos biodegradables conformes", se basó en estos resultados al aprender de los escarabajos cómo utilizar eficientemente la quitina para producir color a gran escala. Ellos, sin embargo, no lo aprendieron de los escarabajos de colores.
Mientras que los escarabajos que viven en las plantas utilizan estructuras complejas para producir colores vibrantes e iridiscentes para muchas tareas, desde comunicar información hasta confundir a los depredadores, algunas especies de colores oscuros que viven en ambientes ocultos/oscuros producen reflejos de color tenues sin un uso aparente para ellos. Es este mecanismo el que interesa al profesor asociado Fernández, ya que implica estructuras simples que pueden implementarse fácilmente en los procesos de fabricación.
Los escarabajos que viven en ambientes oscuros tienen su exoesqueleto cubierto por pliegues de quitina, que les ayudan a moverse fácilmente a través del barro y las zonas húmedas. Curiosamente, cuando esos pliegues se combinan con el fondo rico en melanina responsable de su color oscuro, sus cutículas se vuelven iridiscentes y reflejan diferentes colores cuando se exponen a la luz.
Los investigadores descubrieron que la periodicidad de los pliegues no está optimizada de forma natural para producir color. Sin embargo, el equipo pudo optimizarlo artificialmente y pudo producir, con este mecanismo simplificado, colores quitinosos iridiscentes comparables a los generados por las estructuras complejas de los escarabajos de colores brillantes que viven en las hojas.
Esta sencilla construcción permitió al equipo, en solo un año, ampliar la producción de color desde muestras microscópicas utilizadas como prueba de concepto hasta películas de tamaño A4, el mayor ejemplo de color estructural producido con su molécula nativa hasta la fecha. Estos resultados no sólo son significativos en teoría sino también tecnológicamente relevantes.
"Dado que la quitina está aprobada por la FDA para uso médico y cosmético, proporciona una alternativa respetuosa con la salud y el medio ambiente a los materiales sintéticos utilizados en esas aplicaciones", explicó el profesor asociado Fernández. Además de sus resultados anteriores sobre el uso de quitina para producir consumibles localmente, el equipo espera incorporar el color estructuralmente en la fabricación general, eliminando la necesidad de incluir tintes artificiales.
En el futuro, el profesor asociado Fernández considera la fabricación bioinspirada como una sinergia mutuamente beneficiosa entre la biología y la tecnología, que permite el uso tecnológico de nuevos materiales basados en diseños biológicos y ayuda a los investigadores a crear modelos controlados para comprender mejor los sistemas biológicos.
La investigación se publica en la revista Advanced Engineering Materials. .
Más información: Akshayakumar Kompa et al, Producción artificial a gran escala de iridiscencia de cutícula de coleópteros y su uso en recubrimientos biodegradables conformados, Materiales de ingeniería avanzada (2024). DOI:10.1002/adem.202301713
Proporcionado por la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur
