Monday, April 26, 2010

Química y biología

Bio-inspiracion: Flor de loto y patas de salamanquesas, por Roberto Guzmán de Villoria

Quien se dedica a la ciencia sabe que una de las funciones indirectas del investigador es el dar presentaciones de los proyectos que uno realiza. Se suele ir en traje y dependiendo de la importancia de la ponencia, uno duerme mejor o peor. La mayoría de las veces son lejos de casa e incluso con diferente horario, por lo que lo único que ayuda a despejarse es un poco de café. El problema es cuando lo tomas justo antes de la ponencia y cae una gota en medio de la camisa… Resulta increíble que en pleno siglo XXI, después de la teoría de cuerdas , transmitir electricidad sin necesidad de cables o incluso vender sprays que sirven para enamorar a la gente (esto sigo sin creérmelo), uno tuviera que preocuparse todavía de las manchas de café (es curioso el efecto hipnótico que tiene ese punto en tu camisa blanca durante una presentación. Estad seguros que todos se han dado cuenta, por pequeño que sea).
Así que tanta alta tecnología, pero la mayoría de los problemas cotidianos siguen sin resolverse.

Bueno, no todos. En este caso la naturaleza nos lleva millones de años de ventaja, con el denominado efecto flor de loto.
Este efecto es la capacidad que tienen estas hojas de no mojarse, quedando el agua en forma de gotas en su superficie y resbalando hasta caer, lo que hace que arrastren el polvo o la suciedad, manteniéndose de esta forma siempre limpias. Puede que sea a causa de este efecto por el que en el budismo la flor de loto se asocia a la pureza. Sin embargo no fue hasta los años 70 cuando Wilhelm Barthlot , un botánico que caracterizaba plantas mediante microscopía electrónica, descubrió porqué en algunas el agua se extendía por su superficie y porqué en otras se formaban gotas casi perfectas. Observando la microestructura de las hojas descubrió que aquellas con superficie más rugosa eran las que peor se mojaban. Básicamente lo que ocurre es que las hojas que no se mojan están recubiertas por una estructura formada por micromontículos. Estos micromontículos serían semejantes a las agujas de un colchón de faquir, reduciendo la superficie de contacto con el agua. Si además estos micromontículos están recubiertos por miles de nanopelos, el agua no sólo no moja la superficie, sino que además se desliza por ella, tal y como se ha demostradorecientemente.
Lo interesante de esta estructura es reproducirlo artificialmente y así crear superficies repelentes del agua, bien en pinturas, ya desarrolladas por el propio Barthlot, hasta en tejidos ya comercializados, donde diminutas nanofibras son adheridas a la superfice de fibras tradicionales, como el algodón.

La presencia de millones de nanoestructuras en una superficie rugosa tiene muchas ventajas además de la hidrofobicidad observada entre la hoja rugosa y la gota de agua. Veamos qué ocurre en el caso de la salamanquesa.

Estos animales tienen la increíble capacidad de escalar por todo tipo de superficies, una propiedad muy atractiva para muchas aplicaciones robóticas. Quien haya sido suficientemente rápido de capturar una y observar sus patitas, habrá podido ver que su piel es muy rugosa, recorrida por unas bandas laterales de algo menos de un milímetro de anchura. Cada una de estas bandas está compuesta por unos pelillos, pudiendo llegar al medio millón por patita. A su vez cada uno de estos pelillos está formado por una especie de cucharillas diminutas, del orden de nanómetros. Toda esta estructura de nanocucharillas flexibles hace que la patita de una salamanquesa pueda tener un billón de puntos de contacto. Sin embargo el mecanismo de adhesión no es tan obvio. En un principio se pensó que podría ser por fuerzas capilares (las mismas que hacen que el agua sea “succionada” por una servilleta), pero se comprobó que estructuras similares en ausencia de humedad también se adhieren eficazmente. Otra opción también descartada sería un posible mecanismo de activación muscular (para quien tenga curiosidad, ya se ha probado que una salamanquesa muerta también se queda pegada al techo de un laboratorio). Hay que subrayar que la adhesión de estos animales es muy eficiente. Se ha comprobado que, si estuvieran en contacto todas las nanocucharillas a la vez, se podrían colgar hasta120 kilos .


El mecanismo principal al que se atribuye la adhesión de sus extremidades son lasfuerzas de Van der Vaals . Aunque son fuerzas muy débiles y sólo efectivas a distancias muy cortas (del orden de nanómetros, 10E-9 m), el tener billones de esas nanocucharillas en contacto con una superficie hace que este efecto se multiplique espectacularmente. La principal ventaja de la estructura de nanocucharillas de la salamanquesa es su adaptación a la microrugosidad de cualquier superficie (incluso el vidrio más liso está lleno de microvalles y micromontañas a escala microscópica), de forma análoga a las cerdas del cepillo de dientes que se adaptan a los recovecos de las muelas. A raíz de estas observaciones, el Instituto Max Planck decidió analizar la adhesión de distintos animales con capacidad de escalar, como moscas o arañas, concluyendo que a mayor masa del animal más nanoestructuras por unidad de área necesita.

Evidentemente el campo de aplicación de este descubrimiento es amplísimo, aunque para ello hay que reproducir primero este efecto en un laboratorio y posteriormente en un producto comercial. Se han llegado a hacer nanopilares de plástico (polipropileno) aunque sólo un área muy pequeña (varios centímetros cuadrados).

El problema de estos pilares es que enseguida se llenan de suciedad, por lo que es necesario que sean repelentes al agua y reusables. Se han hecho algunos experimentos con nanotubos de carbono y parece que se están consiguiendo prometedores avances.
Posibles aplicaciones podrían surgir en campos desde la automoción (como el coche de la imagen, aunque es una miniatura en este caso) hasta la medicina, en el caso de pilares plásticos para cerrar incisiones en cirugía sin utilizar ningún pegamento.

Las superficies autolimpiables o las adherentes son sólo ejemplos en los que la naturaleza ha inspirado dos nuevas tecnologías, aparentemente similares. Otras nuevas se han creado o están surgiendo adaptando soluciones que la naturaleza ha encontrado millones de años atrás, constituyendo una disciplina que se denomina bio-inspiración. Y a quien le interese este tema, y en particular las salamanquesas, unvídeo que muestra otra cualidad de estos animales también muy interesante para la robótica.

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The "Silver Song"

Este video es obra creativa de Armando Isaac, para el curso de Química Inorgánica I.