Amboise es una ciudad situada a orillas del río Loira, presidida por uno de esos extraordinarios châteux franceses. Es conocida por albergar una pequeña mansión, el castillo de Clos-Lucé, cerca del histórico edificio principal de la ciudad, donde residió el rey Francisco I en su niñez, y que posteriormente sería testigo de los últimos días de Leonardo Da Vinci.
El polifacético inventor italiano era conocido también por sus pinturas, esculturas o sus apuntes científicos en áreas tan diversas como la botánica, zoología, anatomía o medicina. Considerado por muchos el arquetipo de hombre del Renacimiento, con una capacidad de trabajo y creatividad enormes, Da Vinci fue el precursor de lo que hoy conocemos como ciencia e ingeniería de los materiales.
En el jardín del caserón de Clos-Lucé hoy se encuentra un extraordinario museo con los prototipos de los diseños del italiano. Sus invenciones se basaban en muchos casos en la observación del mundo natural, como el tornillo aéreo, precursor del helicóptero, que se puede ver en la imagen inferior, junto con sus estudios de la fuerza de sustentación de las alas para poder volar.
Estudiar lo viejo para construir lo nuevo
Aunque parezca que sí, ciencia e ingeniería de materiales no son lo mismo. La primera se refiere al estudio de la estructura y propiedades de los materiales, entendiendo estos como elementos que pueden ser transformados y agrupados en un conjunto. Por contra, la ingeniería utiliza las relaciones entre las propiedades, procesamiento y funcionamiento de estos mismos materiales, para así diseñar estructuras con un conjunto predeterminado de propiedades.
La mayor parte de tecnologías modernas necesita de nuevos materiales que tengan combinaciones inusuales de propiedades. Esto resulta imposible de conseguir con los clásicos y tradicionales metales, cerámicas o polímeros convencionales. Se necesitan soluciones creativas para nuevas aplicaciones espaciales, subacuáticas o para los transportes. Materiales más fuertes, más resistentes o más ligeros. La clave residiría en combinar varias propiedades de compuestos distintos para así mejorar así la producción y aplicación de estos materiales. ¿Pero cómo podría ser posible?
Si echamos un vistazo al mundo que nos rodea, podríamos toparnos de repente con soluciones al alcance de nuestra mano. Un ejemplo claro lo constituye la tela que fabrican las arañas, conocida por su gran resistencia. Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y el Instituto Politécnico de Turín estudiaron las telarañas para entender su durabilidad y fortaleza. Llegaron a la conclusión de que es la estructura molecular de la seda Dragline la que caracteriza su fortaleza y flexibilidad. La disposición en dos tipos de filamentos radiales y espirales permiten a la telaraña adaptarse a los cambios y responder a los posibles daños sufridos.
Tan importantes e interesantes son las características de las telarañas que los ingenieros tratan de producirlas de diversas formas, por ejemplo, empleando cabras transgénicas que secreten en su leche seda de tela de araña. Hace unos meses también se presentaba en Japón el primer violín fabricado con este tipo de material, dadas sus extraordinarias propiedades físicas.
Los tres anhelos de la ingeniería
Si pudiéramos hacer reales tres deseos de la ingeniería, podríamos proponer contar con materiales más ligeros, más fuertes y más duros. ¿Seríamos capaces de conseguir esto en la naturaleza? Eso se preguntaron Marc A. Meyers, Joanne McKittrick y Po-Yu Chen, de la Universidad de California, en San Diego. En su artículo publicado en Science, estos investigadores analizaron algunas de las propiedades físicas más importantes de materiales de origen natural, con el objetivo de conocer sus posibles aplicaciones a corto y medio plazo.
En primer lugar, se preguntaron cómo algunos de estos materiales eran capaces de soportar grandes tensiones, una propiedad realmente interesante, y que tendría que ser debida, según su hipótesis, a una conformación molecular específica. Los biopolímeros tendrían que ser capaces de realizar un trabajo inicial pequeño al realizar la extensión, para así reducir el gasto energético realizado, a la vez que debería elongarse lo máximo posible, hasta casi llegar a lo que se conoce como “punto de ruptura” para así resistir la tensión. Un ejemplo de este tipo de biopolímeros lo constituye el colágeno, que forma parte de tejidos como los tendones, la piel, los ligamentos o los huesos.
Su estructura molecular está formada por tres cadenas que se unen para dar el tropocolágeno. Varias moléculas de este tipo se asocian luego entre sí para dar fibras y fibrillas, y el posterior fortalecimiento de los crecimientos intermoleculares ayuda a mejorar las características mecánicas de este biopolímero. En los estudios realizados por los investigadores norteamericanos a través de dinámica molecular computacional observaron cómo la densidad de este material varía mucho en función del grado de hidratación al que sea sometido.
Para conseguir materiales más duros, los científicos analizaron la concha del Abalón, formada por microscópicos azulejos de carbonato cálcico, apilados como si fueran ladrillos. Entre sus capas se deposita una proteína pegajosa, responsable de la gran dureza de este material. Cuando la concha sufre un golpe, los microazulejos, en lugar de romperse, son capaces de deslizarse, y la energía del impacto es “absorbida” de alguna manera por la proteína que se encuentra entre dichos ladrillos, al extenderse entre ellos. Otros materiales interesantes desde el punto de vista molecular por su extraordinaria dureza están presentes en el exoesqueleto de las langostas o las espículas de muchas esponjas.
Y si buscamos materiales ligeros, la respuesta la podemos encontrar en los tucanes, unas aves caracterizadas por presentar picos muy desarrollados y de vivos colores. Precisamente si estudiamos esta parte de su organismo podemos descubrir una estructura realmente curiosa. Los picos de los tucanes están formados interiormente por una especie de espuma rígida de fibras óseas y membranas intercaladas entre capas externas de queratina, la proteína que forma parte de nuestras uñas o pelo. Esta presenta un diámetro de 50 diámetros y un grosor de un micrómetro, lo que unido a su peculiar disposición en el pico, haga que esta estructura sea realmente ligera.
Como explicaba la investigadora Joanne McKittrick, “los sistemas de origen natural están constituidos por muy pocos elementos, pero dispuestos de maneras ingeniosas, de forma que puedan maximizar sus propiedades físicas”. Además del velcro, existen muchos otros materiales “inspirados” en la naturaleza, pero sin duda, estudios de este tipo pueden ayudar a la ingeniería de materiales a potenciar su creatividad a partir de elementos ya existentes.
Imágenes | Flickr, Wikipedia, EurekaAlert
