Materiales de resistencia inédita o sensores de última generación muestran la versatilidad de elastómeros “patentados” por las arañas.
En el I’mnovation Hub siempre tenemos el ojo puesto en el desarrollo de nuevos materiales, ya sea para la construcción de edificios o nuevos dispositivos. En ese sentido, la naturaleza es un terreno fértil en el que inspirarse para la innovación. Prueba de ello es el material de construcción inspirado en los escarabajos del que hablamos hace poco o el adhesivo que imita las habilidades de los geckos. Esta vez, la maestría es imputable a las arañas, cuyas redes son unos de los elastómeros que nos ofrece la naturaleza.
Probablemente hayas oído hablar de la proverbial resistencia de las telarañas. Se trata de un material flexible y a la vez increíblemente resistente. Sin más prolegómenos, procedemos a explicarte la razón de esas cualidades y cuáles son sus aplicaciones más novedosas.
En este artículo encontrarás:
Antes de nada, vamos a despejar dudas acerca de este tipo de material. El término elastómero se deriva de “elástico” y “polímero”. Ahí ya tienes un par de pistas sobre su naturaleza: se trata fundamentalmente de polímeros elásticos. Así, estas estructuras se caracterizan por su potencial de estiramiento y su capacidad de recuperar su forma natural. Un ejemplo básico de elastómero de origen vegetal sería el caucho.
Los elastómeros naturales, tales como los que vemos en el caucho, tienden a fundirse con el calor y a volverse quebradizos con el frío. Para que sean verdaderamente eficaces es necesario aplicar ciertos tratamientos. Por ello, desde principios del siglo XX, los elastómeros sintéticos fueron desplazando a los naturales. Sumando ambos tipos, existen más de veinte tipos distintos de elastómeros, que incluyen el látex, el poliuretano, la silicona o el neopreno. Hoy sus aplicaciones son prácticamente infinitas. Algunas de las más extendidas serían:
Además de estas aplicaciones cotidianas, los elastómeros están abriendo la puerta a aplicaciones mucho más revolucionarias. Veamos algunas de ellas.
Tal como hemos apuntado, el ser humano está lejos de ser el primero en haber producido y utilizado elastómeros. Uno de los más resistentes que se puede encontrar en la naturaleza incorpora moléculas con ocho enlaces de hidrógeno y es el que emplean las arañas para tejer sus trampas. Seguramente, habrás leído alguna vez que las telarañas son más duras que el acero.
Pues bien, en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU, por sus siglas en noruego) se han fijado en ese tipo de estructura molecular para desarrollar un material ultrarresistente.
Las telarañas, especialmente los anillos concéntricos, aúnan dos cualidades que no suelen ir de la mano: rigidez y dureza. Hasta ahora en el caso de los productos comerciales, cuanto mayor era la rigidez menor era la dureza. Esto se debe a que, cuanto mayor es la rigidez, menor es la disipación de energía. Un ejemplo es el cristal, que es rígido, pero no duro.
Por suerte, los investigadores de la universidad noruega han combinado ambas características en un nuevo material, que tiene una parte dura y otra más blanda. La estructura con enlaces de hidrógeno es óptima para disipar energía, mientras que la parte blanda está fabricada con un polímero con base de silicio conocido como PDMS.
El material, que además de ser ultrarresistente podría ser también autorreparable, tiene diversas aplicaciones. Por ejemplo, podría emplearse en prendas inteligentes gracias a su capacidad de resistir la torsión.
Tal como los elastómeros son extremadamente comunes en nuestra vida cotidiana, existe un material igualmente ubicuo en el terreno de la investigación avanzada. Hablamos, cómo no, del omnipresente grafeno. Una de las últimas aplicaciones de este material basado en el carbono aprovecha las estructuras de la seda de las telarañas y la flexibilidad del PDMS, el polímero que vimos en el caso anterior.
Tal como cuentan en la publicación científica ACS Applied Materials & Interfaces, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, ha creado un nuevo tipo de sensor de alta flexibilidad y sensibilidad con una estructura E-GWF. Estas siglas corresponden en inglés a “tejido de grafeno relleno de elastómero” y son la clave de una tecnología de gran potencial.
El innovador tejido, que consta de hilos de PDMS con un recubrimiento de grafeno, es piezorresistente. Esto significa que, además de ser flexible, es sensible a las variaciones del campo eléctrico, por lo que podrá utilizarse en sensores epidérmicos y otros dispositivos en contacto con la piel humana.
La creación de un material que se comporte como los músculos humanos, es decir, que se contraiga con una elevada capacidad de respuesta a los estímulos, ha sido objeto de numerosas investigaciones. Por suerte, parece que los elastómeros han vuelto a acudir en rescate de los científicos para dar un paso importante en esa dirección.
En esta ocasión se trata de elastómeros de cristal líquido, conocidos como LCE por sus siglas en inglés. Los investigadores de la Universidad de California han aplicado un proceso de electrospinning o electrohilado para fabricar estas fibras sintéticas que imitan el músculo humano.
Gracias al electrohilado, que aplica una descarga eléctrica al polímero para generar un filamento extremadamente fino, han logrado crear un material de gran resistencia tensil y una elevada capacidad de respuesta ante el calor o la luz infrarroja de espectro cercano.
Este nuevo ejemplo de elastómero podría tener interesantes aplicaciones en cirugías reconstructivas de músculos humanos o en el desarrollo de sistemas musculares robóticos.
La capa de Superman, por si alguien no se había fijado, era puramente ornamental. Para que un material permita algo remotamente parecido a volar es preciso que ofrezca cierta resistencia al aire, como es el caso del ala de un pájaro. Ahí, aunque fuese solo en términos de realismo, el artefacto que empleaba el hombre murciélago era bastante más funcional.
El nuevo material desarrollado en los laboratorios de Caltech en EE. UU. sigue un principio parecido al que se veía en Batman Begins, donde el héroe convertía su capa en una superficie rígida para poder planear por Arkham.
El tejido desarrollado en este centro asociado a la Universidad de California está compuesto de una malla de polímeros en forma de octaedro obtenida por medio de impresión 3D. Este tejido, con una estructura similar a una cota de malla, se vuelve rígido en presencia del calor.
Esto se logra por medio de una capa de elastómeros de cristal líquido o LCE, el ejemplo de elastómero que vimos en el caso anterior. Al aplicarles una corriente eléctrica se genera calor, lo que los contrae y les hace adoptar una forma prefijada.
La innovadora estructura podría permitir la fabricación de exoesqueletos en el terreno de la biomedicina o incluso refugios temporales en caso de catástrofe.
Además de los ejemplos de elastómeros que hemos mencionado, si quieres saber más sobre materiales inspirados por plantas, pájaros e insectos, puedes echarle un vistazo a este artículo sobre biomimética.
Fuentes: Engineering Plastics, Scitech Daily, Nanowerk, Caltech, ACS, https://techxplore.com/news/2021-09-artificial-fiber-spun-liquid-crystal.html
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