La biomimética o biomímesis está en boca de todos, y ya es difícil imaginarse un futuro donde no sea una de las claves del desarrollo de nuestra sociedad. El desarrollo de nuevos materiales no es ajeno a esta nueva disciplina, aunque es necesario saber qué es lo que podemos obtener (y qué no) de la imitación de las estrategias de la Naturaleza.
Living in a material world
La Historia de la humanidad comienza con el desarrollo de civilizaciones que hoy agrupamos en etapas tecnológicas definidas por el material que, en cada momento, alcanzó un mayor grado de desarrollo (Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad del Bronce y Edad del Hierro). Desde entonces el desarrollo del ser humano ha estado íntimamente ligado a su relación con los materiales de su entorno: cómo extraerlos, cómo transformarlos, cómo utilizarlos, cómo sintetizarlos, cómo reciclarlos... Desde los primeros materiales que el hombre extrajo de la naturaleza (madera, arcilla, piedra…), pasando por la aplicación de tratamientos térmicos, hasta llegar a la revolución de la nanotecnología y los nanomateriales.
En la actualidad vivimos la era del silicio, una nueva revolución que ha propiciado el desarrollo de la electrónica y las tecnologías de la información y la comunicación. Los retos tecnológicos son los mayores a los que ha tenido que enfrentarse el hombre en toda su historia. A pesar de haber perfeccionado la extracción de materias primas, dominado la síntesis de nuevos materiales, desarrollado tecnologías de procesamiento y fabricación y utilizado diferentes fuentes de energía para nuestras actividades, apenas habíamos tenido en cuenta las consecuencias que todas estas etapas tenían sobre el entorno. Hoy sabemos que el vector ambiental no puede ser descuidado en nuestras actividades; más allá del greenwashing y las normativas, ha de considerarse como un factor de la máxima importancia a la hora de desarrollarlas.
En este contexto, las últimas décadas han visto nacer una nueva disciplina denominada biónica o biomímesis. Estos términos se popularizaron a raíz de la publicación del libro "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature" (1997) de Janine Beynus en el que se habla de "una nueva ciencia que estudia los modelos de la naturaleza e imita o se inspira en estos diseños y procesos para resolver problemas humanos".
¿Biomímesis = sostenibilidad?
La Ciencia y la Ingeniería siempre han tenido en la naturaleza un modelo del que se han servido para prosperar; sin embargo, en los últimos tiempos este estudio natural se ha sistematizado, implicando coherentemente a profesionales de distintas disciplinas (biólogos, diseñadores, físicos, ingenieros, qúimicos…) para maximizar los beneficios extraidos del conocimiento de la Naturaleza. Aunque en la actualidad todavía entraña secretos que no podemos descifrar, no cabe duda de que la mímesis de los procesos, materiales y soluciones naturales será una de las vías de desarrollo e innovación de nuestra sociedad.
En este punto, es necesario pararse y reflexionar: ¿es la biomímesis la solución universal a nuestros problemas ambientales? La respuesta es no. La biomímesis es una herramienta de desarrollo y una fuente de innovación; un "nuevo" (en lo que hace referencia a la sistematización) planteamiento de partida para la búsqueda de soluciones puntuales a los retos que plantea el desarrollo tecnológico. Y no siempre se puede obtener de la Naturaleza la respuesta buscada; en este punto, como bien saben los investigadores, es necesario cambiar de modelo y seguir probando. Pero existe aún una tendencia a asociar directamente biomímesis y sostenibilidad, como si la primera implicara inequívocamente la segunda. No cabe duda de que la Naturaleza puede enseñarnos mucho sobre cómo proteger la vida y los recursos (ella lo ha estado haciendo desde hace millones de años), pero sólo depende de nosotros y nuestro criterio el saber canalizar correctamente la información que nos proporciona hacia desarrollos que supongan un avance ambiental.
Buscando la Bio-inspiración
Volviendo al tema central, la investigación y el desarrollo de nuevos materiales representa uno de los campos de mayor potencial para la biomímesis. En un primer nivel, podemos imitar directamente la solución natural, como en el conocido caso del velcro. En un segundo estadio, más profundo, podemos extraer de la Naturaleza sus procesos productivos e imitarlos para optimizar la producción de materiales, por ejemplo desarrollando procesos de baja energía o procesos basados en el autoensamblaje (algo parecido a lo que Ecovative ha conseguido con Ecocradle). Por último, el grado más elevado de aplicación de la biomímesis será el que logre interconectar todos los demás procesos, imitando el funcionamiento holístico de los ecosistemas. En este punto podemos encontrar un paralelismo con la filosofía Cradle to Cradle.
Existen cientos de ejemplos de cómo la ciencia y la ingeniería de materiales se han valido de la biomímesis para sugerir (y en muchos casos alcanzar) nuevas vías de desarrollo (no hay más que echar un vistazo a webs como www.asknature.org), y las líneas de investigación en este sentido son cada vez más numerosas. Es evidente el desafío técnico que suponen muchas de estas investigaciones, pero quizás el verdadero reto está en saber identificar aquellas estrategias de la Naturaleza susceptibles de iniciar un camino hacia un nuevo avance.
En este sentido, "On growth and form" de D'Arcy Thompson (publicado en 1917), supone un excelente punto de partida para el investigador, diseñador, arquitecto, etc. que quiera zambullirse de lleno en los secretos de la Naturaleza, especialmente a nivel formal y estructural. Uno de los más bellos ejemplos recogidos en este volumen hace referencia a nuestra naturaleza más próxima: el diseño de los huesos que sustentan nuestro cuerpo. En 1866, el ingeniero Carl Culmann descubrió una réplica del diseño de su nueva grúa en la sección de un hueso humano que estaba siendo analizado por un anatomista. En esta sección se podía observar una retícula que seguía con exactitud el diagrama de las líneas de tensión, o direcciones de tensión y compresión, en la estructura cargada de la grúa.
En los huesos humanos, y en todos aquellos que deben soportar peso en general, la cavidad interna la ocupan la médula ósea, vasos sanguíneos y otros tejidos; y, en medio de estos tejidos vivos encontramos el "tejido esponjoso" formado por pequeñas “trabéculas” de hueso entrelazadas.
En una sección longitudinal del fémur vemos cómo las trabéculas se disponen en líneas curvas desde la cabeza hacia la caña hueca del hueso, cruzándose, en la medida de lo posible, de manera ortogonal. Como recoge D'Arcy Thompson, “la disposición anatómica de las trabéculas sigue con exactitud la distribución mecánica de las fuerzas compresivas y tensionales o, con otras palabras, concuerda perfectamente con el diagrama de cargas teórico de la grúa”. A medida que el hueso crece, las zonas expuestas a un mayor estrés desarrollan una mayor cantidad de masa.
Investigadores del International Development Center at Adam Opel GmbH, desarrollaron un software de optimización 3D que imita este crecimiento biológico. Eliminar los componentes superfluos permite obtener una estructura optimizada con la mínima cantidad de material. Aunque originalmente se diseñó para los componentes del chasis del automóvil, el software ha sido aplicado por el diseñador Joris Laarman en el proyecto "Bone Furniture". Al igual que los árboles añaden material allí donde es necesario para asegurar la estructura, y los huesos se valen de las trabéculas para lograr un diseño eficiente y seguro, las distintas piezas de la serie “Bone furniture” alcanzan una estructura optimizada a través del empleo del software de Opel.
La serie "Bone Furniture" se compone de 7 piezas en distintos materiales y acabados. La “Bone chair”, en poliuretano, se fabrica en una única pieza a partir de un molde cerámico generado por impresión 3D.
Tejiendo alianzas
Si después de esta primera mirada a nuestra propia naturaleza avanzamos un paso más, nos encontramos con la espectacular diversidad que constituyen esos seres con los que compartimos una gran parte de nuestro ADN. El reino animal, a ojos de la biomimética, es una panorámica infinitamente rica del banco de pruebas que constituye la evolución.
De entre ellos, las arañas han fascinado desde la Antigüedad a la sociedad humana. Hoy, su seda es uno de los máximos exponentes de nuestro interés por imitar los materiales producidos por la naturaleza. Su capacidad para soportar cargas elevadas al tiempo que experimenta grandes deformaciones supone un hito excepcional tanto entre los materiales naturales como los artificiales. Las propiedades mecánicas de la fibra de seda no han sido todavía superadas por las fibras artificiales.
Esta combinación de propiedades colocan a la seda de araña en una posición privilegiada frente a fibras metálicas y cerámicas (que pueden soportar cargas elevadas antes de que se produzca la fractura, pero cuya capacidad de deformarse es reducida) y los elastómeros (que sufren grandes deformaciones antes de la fractura, pero no soportan cargas elevadas).
Manuel Elices, catedrático de Ciencia de los Materiales en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha dedicado grandes esfuerzos a conocer más a fondo la seda de araña, obteniendo algunas claves que nos acercan más a la comprensión de este extraordinario material.
Los hilos de seda de la glándula mayor (la más resistente), en comparación con fibras artificiales, presentan una resistencia a rotura del mismo orden de magnitud (1.2 GPa en la Argiope trifasciata y hasta 4 GPa en otras especies), frente a los 3, 3. 6 y 5.8 GPa del acero, el Kevlar y el PBO (Zylon), respectivamente. Donde sí resulta significativa la diferencia es en la deformación a rotura, que llega a alcanzar el 30% en la seda de araña, muy superior al porcentaje de las demás fibras. La conjunción de estas dos propiedades permite que la energía almacenada antes de la rotura sea excepcionalmente alta: entre 100 y 130 MJ/m3.
Por su parte, el hilo víscido (el hilo circunferencial que sirve capturar las presas) potencia la deformabilidad frente a la resistencia. Permite una elongación de en torno al 300%, gracias a la cual los requerimiento de resistencia son menores.
A pesar de podemos caracterizar relativamente bien algunas de sus propiedades mecánicas, todavía es difícil hallar la correlación entre la microestructura de la fibra y sus propiedades. La glándula mayor (que fabrica los amarres, los radios, el cordón perimetral y el hilo de seguridad) ha sido la más estudiada: genera una seda compuesta por dos proteínas de las que se conoce parcialmente la secuencia del ADN que las genera.
La superestructura formada por estas fibras (la telaraña) es también un prodigio de la ingeniería, ya que está optimizada para repartir las fuerzas a las que está sometida, para atrapar a las presas y para ser tolerante al daño.
En la telaraña se pueden distinguir 4 tipos de hilos, formados a su vez por conjuntos de hebras: los amarres, los hilos perimetrales, los radiales y los circunferenciales. La resistencia de la telaraña reside en su configuración: cada componente presenta una rigidez distinta (los amarres y el marco perimetral son más rígidos) para que todos ellos soporten una tensión similar. Además, las arañas postensan periódicamente los hilos, repartiendo mejor las tensiones.
Al recibir el impacto de una presa, la telaraña se vale de dos estrategias para absorber y disipar parte de la energía del impacto. Por un lado, esta energía se invierte parcialmente en deformar las fibras de seda, que presentan un comportamiento viscoelástico. Al mismo tiempo, gracias al rozamiento de las fibras con el aire se consigue disipar otra parte de la energía. Cuando la telaraña sufre un daño localizado, la capacidad de redistribuir las tensiones soportadas por los hilos permite que los efectos sean mínimos.
Pero no sólo las propiedades mecánicas de la seda de araña llaman la atención de los investigadores. Xinwei Wang, profesor asociado de Ingeniería Mecánica en la Iowa State University, y su equipo constataron recientemente la extraordinaria conductividad térmica (λ) que presentan. El valor registrado fue de 416 W/(K·m); el del cobre, por ejemplo, es de 401 W/(K·m). Si comparamos estos resultados con otros materiales biológicos, observamos que esta seda de araña conduce el calor 1.000 veces mejor que la seda del gusano de seda y 800 veces mejor que otros tejidos orgánicos.
No es el único fenómeno sorprendente que se ha observado: además, la conductividad térmica de la seda aumenta cuando se estira la fibra. Según los estudios de Wang, una elongación del 20% produce así mismo un aumento de λ de un 20%. La mayoría de materiales pierden conductividad térmica cuando se estiran.
La respuesta a todas estas propiedades la encontramos en la estructura molecular de la seda de araña, libre de defectos, así como en las proteínas y las estructuras que las mantienen unidas. Para Wang, sin embargo, será necesario realizar posteriores investigaciones para comprender completamente las propiedades térmicas de la seda de araña.
Al igual que en otros ejemplos de la biomímesis, el gran reto de la investigación consiste en poder generar estas fibras de manera industrial. Para ello es necesario en primer lugar identificar secuencias de aminoácidos relacionados con la composición de los hilos de seda, para poder expresarlos con una bacteria como E.Coli. Una vez hecho esto será necesario hilar la solución proteica, y fabricar la fibra. Grandes compañías han intentado superar este reto, hasta el momento sin éxito.
El loto sagrado ( Nelumbo nucifera) ha tenido tradicionalmente un fuerte carácter simbólico como representación de la pureza en las religiones del Antiguo Egipto, la India y China, debido a que sus hojas emergen limpias del agua fangosa en la que crece. La lluvia arrastra la suciedad de la superficie de sus hojas con más facilidad que en las del resto de plantas.
volviendo al origen
Acabamos este pequeño recorrido volviendo la mirada hacia el reino Plantae, en el que encontramos uno de los ejemplos clásicos de la aplicación de la biomimética: el efecto loto. No por tópico deja de ser interesante, aunque conviene abordarlo desde una perspectiva meramente científica (dejando a un lado ciertos enfoques casi "místicos" que a menudo se nos presentan).
El control de la mojabilidad de las superficies sólidas es un aspecto que atrae cada vez más interés por parte de los investigadores y de la industria. La mojabilidad se mide por el ángulo de contacto (CA) de una gota de agua en una superficie sólida. En función de este ángulo clasificamos las superficies con características especiales como superhidrófobas (CA > 150º), hidrófobas (150º < CA < 90) e hidrófilas (CA < 30º).
Las superficies superhidrófobas pueden permitir que el agua e incluso el aceite se deslicen por ella sin dejar residuos e incluso atrapando cualquier contaminación de la superficie (propiedades de autolimpieza). Esta propiedad no sólo depende del CA (que es una medida de la mojabilidad “estática”), sino además de la capacidad de la gota de deslizarse por la superficie (mojabilidad “dinámica”). Una gota de agua sobre una superficie hidrofóbica puede adoptar uno de dos estados: un estado de Wenzel en el que la gota se pone en contacto íntimo con los picos y valles de una superficie rugosa, o un estado Cassie en el que la gota se mantiene en contacto sólo con los picos de la superficie. Aunque el CA sea alto, es sólo en este útimo estado en el cual la gota es libre de rodar a lo largo de la superficie, arrastrando con ella la suciedad, ya que el agua y la suciedad tienen más afinidad entre sí que cualquiera de ellas con la superficie.
El ejemplo más conocido de una superficie autolimpiable es la hoja de loto, cuyo efecto fue descubierto a finales de los años 70 por Wilhelm Barthlott, aunque ya en 1945 se habían desarrollado textiles con propiedades hidrófobas superiores a las de la hoja de loto. Barthlott, atraído por las posibilidades del microscopio electrónico de barrido (SEM), observó que algunas plantas apenas necesitaban una limpieza previa para ser observadas mediante esta técnica. Entre ellas destacaba el loto. Sus descubrimientos se tradujeron en aplicaciones comerciales para superficies autilimpiables, y él mismo registró la marca "Lotus-Effect®".
El loto sagrado (Nelumbo nucifera) ha tenido tradicionalmente un fuerte carácter simbólico como representación de la pureza en las religiones del Antiguo Egipto, la India y China, debido a que sus hojas emergen limpias del agua fangosa en la que crece. La lluvia arrastra la suciedad de la superficie de sus hojas con más facilidad que en las del resto de plantas.
Lo que Barthlott descubrió en la hoja de loto fue la combinación de dos propiedades en su superficie: por un lado, las rugosidades de escala micrométrica que recubren toda la hoja; por otra, un revestimiento de cristaloides de cera epicuticular (en sí hidrófobas) sobre estas protuberancias. Gracias a estas dos propiedades, la hoja exhibe un carácter superhidrófobo: cuando las gotas entran en contacto con la planta, conservan una forma casi esférica, con un ángulo de contacto superior a los 150º. Esto es así gracias al aire atrapado en la rugosidad de la superficie, ya que las gotas se depositan en contacto con las crestas de las protuberancias.
Aunque el caso de superficie autolimpiable natural es el de la hoja de loto, existen otros casos similares como la hoja de taro o la hoja del arroz. En estas se observan microestructuras similares aunque con pequeñas diferencias, siendo el CA del mismo orden en todas ellas.
Las aplicaciones del efecto loto son muy conocidas en la industria y se encuentran entre los casos más exitosos de aplicación comercial de la biomimética. StoCoat® Lotusan® es una pintura acrílica de base acuosa que genera una superficie superhidrófoba, imitando las propiedades autolimpiables del loto. El producto fue desarrollado a partir de la patente y marca registrada (Lotus-Effect®) de William Barthlott, y se comercializa desde 1999. Se aplica sobre paredes verticales de hormigón, mampostería o yeso.
A pesar de todos estos esfuerzos, las aplicaciones reales del efecto loto son todavía limitadas por la facilidad con la que se pueden contaminar las superficies. Con una mínima reducción de la hidrofobicidad o de la profundidad de la estructura superficial (por ejemplo, por el efecto de una monocapa de un aceite) se puede destruir el efecto superhidrófobo. La hoja del loto puede resolverlo mediante el crecimiento y la auto-reparación, pero para nuestras superficies artificiales todavía supone un reto.
