La naturaleza tiene una gran ventaja sobre cualquier equipo de investigación humano:mucho tiempo. Miles de millones de años, De hecho. Y durante todo ese tiempo ha producido algunos materiales realmente asombrosos, utilizando componentes débiles que los ingenieros humanos aún no han descubierto cómo utilizar para aplicaciones de alta tecnología, y con muchas propiedades que los humanos aún tienen que encontrar formas de duplicar.

Pero ahora varios investigadores como el profesor del MIT Markus Buehler han comenzado a desentrañar estos procesos a un nivel profundo, no sólo averiguando cómo se comportan los materiales, sino cuáles son las características estructurales y químicas esenciales que les confieren sus propiedades únicas. En el futuro, esperan imitar esas estructuras de manera que produzcan resultados aún mejores.

Todo se reduce a ensamblar estructuras complejas desde pequeñas, bloques de construcción simples, Buehler explica. Le gusta usar una analogía musical:una sinfonía comprende muchos instrumentos diferentes, cada uno de los cuales por sí solo nunca podría producir algo tan grande y complejo como los ricos combinados, experiencia musical completa. En una forma similar, espera construir materiales complejos con propiedades previamente no disponibles mediante el uso de bloques de construcción simples ensamblados de manera que se tomen prestados de los utilizados por la naturaleza.

Ingenieros humanos, el explica, tienen al menos una ventaja importante sobre la naturaleza:pueden elegir sus materiales. Naturaleza, por el contrario, a menudo tiene que conformarse con lo que esté disponible localmente, y cualquier estructura que se haya creado a través del largo ensayo y error de la evolución. "Una araña o una celda, "Buehler dice, "No tiene grandes recursos. No puede importar materiales, usa lo que está disponible ".

En materiales biológicos como la seda de araña, la geometría de las estructuras marca la diferencia. Seda, un tema de estudios anteriores de Buehler y sus colegas, está formado por moléculas que son, en sí mismos, inherentemente débil, pero las moléculas básicas en forma de disco se combinan en pequeñas pilas, que a su vez se combinan en fibras reticuladas de una manera que hace que el conjunto sea mucho más fuerte que sus componentes. Los ingenieros podrían aprender una cosa o dos de tales estructuras, Buehler sugiere, con sus diferentes arreglos a diferentes escalas. "Si descubrimos cómo diseñar cosas a varias escalas, no necesitamos bloques de construcción elegantes, ”, Dice.

Peter Fratzl, un científico de materiales en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Alemania, ve una gran promesa en este enfoque. “No es tanto la composición química lo que realmente cuenta, pero la forma en que los componentes (que pueden ser intrínsecamente pobres) se unen, ”, Dice. “Desentrañar estos principios estructurales requiere enfoques experimentales y teóricos que cubran muchas escalas de longitud, desde el tamaño de las moléculas hasta los órganos completos ”. Hasta ahora, la investigación ha sido principalmente en el lado teórico, pero Buehler y otros esperan continuar con el trabajo experimental también.

Este enfoque de diseño no solo tiene la promesa de crear materiales con grandes cualidades de resistencia, o elasticidad, o con propiedades ópticas o eléctricas útiles, sino también para hacer uso de materiales que ahora se cree que son de poca utilidad, o incluso productos de desecho.

Estructuras jerárquicas

La clave para hacer materiales fuertes a partir de componentes débiles, Buehler ha encontrado, radica en la forma en que las piezas pequeñas se organizan en patrones más grandes de diferentes maneras a diferentes escalas; en otras palabras, en un conjunto jerárquico de estructuras. “Este paradigma, la formación de una estructura distinta en múltiples escalas de longitud, permite que los materiales biológicos superen las debilidades intrínsecas de los componentes básicos, ”, Escribió en un artículo que aparece este mes en la revista. Nano hoy .

La mayoría de los materiales estructurales diseñados por personas, por otro lado - acero, ladrillos mortero:tienen estructuras simples que no varían con la escala, aunque algunos materiales compuestos y estructuras construidas a partir de componentes como los nanotubos de carbono están comenzando a implementar al menos alguna diferenciación de estructura con escala. Pero Buehler ve esto como un área que está madura para nuevos diseños mucho más sofisticados y complejos.

Buehler sugiere que, al igual que lo ha hecho la biología, los humanos podrían diseñar materiales con las propiedades deseadas, como resistencia o flexibilidad, utilizando materiales abundantes y baratos como la sílice, que a granel es frágil y débil. “El diseño de estructuras jerárquicas podría ser la clave para superar su debilidad o fragilidad intrínseca, propiedades que actualmente impiden su amplia aplicación tecnológica, ”, Escribió en el periódico Nano Today. Usando estructuras inteligentemente diseñadas, él sugiere, los seres humanos deberían poder producir materiales con casi cualquier tipo de propiedades deseadas, incluso usando un muy limitado, y un conjunto de componentes "casi arbitrario".

"Estamos intentando desarrollar modelos informáticos, "Él dice, “Para que podamos hacer predicciones” sobre las propiedades de los materiales construidos de formas que nunca antes se habían hecho. "Como ingenieros, tenemos modelos de cómo hacer un coche, o un edificio, ”, Dice. Pero para diseñar las estructuras básicas de nuevos materiales, la tecnología actual "está realmente en una etapa incipiente". Pero a medida que se desarrollan tales modelos, dice con confianza, "Podemos hacerlo mucho mejor que la biología".