Un equipo de investigadores brasileños, europeos y americanos, del grupo de Materiales Complejos, del Instituto Federal de Tecnología (ETH), de Zúrich, en Suiza, desarrolló una técnica cuyo objetivo es unir materiales rígidos y elásticos, inspirada en lo hecho por la naturaleza para conectar músculos y huesos en el cuerpo humano. Los resultados generados con la nueva técnica son los denominados compuestos bioinspirados, con gran potencial de aplicación en implantes biomédicos y piezas para la industria automovilística y la aeroespacial. El método de unión de materiales poliméricos y cerámicos fue descrito en un artículo publicado en diciembre en la revista Nature Communications.
El líder del grupo, el profesor e ingeniero brasileño André Studart, sostiene que el acoplamiento entre materiales rígidos y flexibles es algo muy común en los seres vivos. “En nuestro cuerpo, por ejemplo, partes altamente elásticas, como son los tendones, están conectadas con otras extremadamente rígidas, tales como los huesos”, recuerda. “Al contrario de lo que puede observarse en los productos artificiales, nuestro cuerpo permite la aplicación de una alta carga mecánica en la unión entre esos dos materiales sin que ocurran fallas en el lugar de conexión”. La aplicación de los principios que utiliza la naturaleza en la producción de materiales artificiales con alta performance contó con la participación de otro brasileño, el químico Rafael Libanori, además de dos investigadores suizos, una francesa, un austríaco y un estadounidense.
Pero transformar estas características naturales en tecnología, produciendo un mecanismo artificial que haga posible la conexión entre materiales elásticos y rígidos, no es algo tan sencillo como lo da a entender la naturaleza. Por el contrario, unir dos productos con propiedades mecánicas disímiles constituye actualmente un gran reto para varias áreas de la ingeniería. De allí la importancia del trabajo del grupo liderado por Studart. “Concebimos un método de producción de materiales heterogéneos artificiales que pueden utilizarse para conectar estructuras rígidas y elásticas en manera eficiente, tal como en la naturaleza”, comenta.
El grupo comprobó que la naturaleza resolvió el problema mediante una modificación gradual de las propiedades mecánicas de la estructura de acoplamiento, denominada unión osteotendinosa o entesis. “Cerca de los tendones, las inserciones son relativamente elásticas y están compuestas principalmente por fibras de colágeno”, explica Libanori. “Pero a medida que se aproximan a los huesos, la concentración de elementos minerales de refuerzo va aumentando gradualmente, derivando en un compuesto heterogéneo que es capaz de distribuir en manera uniforme las tensiones mecánicas a lo largo de su extensión”. Se trata de una transición gradual de propiedades mecánicas tanto lineal como perpendicularmente, lo cual minimiza el desarrollo de altas tensiones en la juntura.
La transición en los dientes
El colágeno ofrece propiedades mecánicas características de los materiales elásticos, mientras que los elementos minerales de refuerzo, tales como la hidroxiapatita ‒compuesta por fosfato de calcio, el principal constituyente de los huesos‒, exhiben propiedades características de los materiales cerámicos rígidos. Otro ejemplo de material biológico que presenta una transición gradual en sus propiedades mecánicas es el diente. “La parte interna de nuestros dientes está formada por la dentina, más elástica, mientras que la capa externa, el esmalte dental, es mucho más rígida y dura”, explica Libanori. “Esa transición gradual de propiedades ocurre en forma perpendicular, desde el interior del diente hacia el esmalte dental”.
El método creado por el grupo, denominado “refuerzo jerárquico de elastómeros de poliuretano”, fue concebido durante el doctorado de Libanori, dirigido por Studart en el ETH. “Se emplea la palabra ‘jerárquico’ porque la matriz polimérica está reforzada con componentes más rígidos en diferentes escalas de tamaño: molecular, nanométrico y micrométrico”, explica Libanori. “De ese modo, podemos combinar capas de materiales, obteniendo diferentes grados de rigidez, mediante de un procedimiento al que denominamos soldadura por solvente”. En el artículo de la Nature Communications, los investigadores describen una matriz de poliuretano, un polímero que se utiliza, por ejemplo, en la elaboración de espumas, suela de calzados, fibras textiles y adhesivos, reforzada con plaquetas cerámicas a escala nanométrica (una arcilla sintética denominada laponita) y micrométrica (óxido de aluminio). Las dimensiones nanométricas son equivalentes a tamaños de 1 milímetro dividido en un millón de partes y las micrométricas, 1 milímetro dividido por mil.
Según Studart, este método posibilita la fabricación de compuestos poliméricos inimaginables hasta ahora. “Por ejemplo, creamos un material cuya rigidez en su superficie superior equivale a la de nuestros dientes y huesos, mientras que la elasticidad en su superficie inferior se asemeja a la de nuestra piel”, revela el profesor. Ellos también demostraron que dispositivos electrónicos rígidos integrados en un sustrato flexible, tal como en el caso de los LEDs, podrían efectivamente protegerse contra las fallas mecánicas, aumentando en forma significativa el tiempo de vida del artefacto.
Los dispositivos flexibles obtenidos mediante este método pueden deformarse hasta 4,5 veces su tamaño inicial sin comprometer la respuesta de sus componentes electrónicos rígidos. Según Libanori, el proyecto aún se encuentra en fase de investigación académica y el grupo está buscando empresas interesadas en licenciar la tecnología. “Ahora mismo, estamos discutiendo las posibilidades de cooperación con una gran empresa de artículos electrónicos”, dice.
El profesor Edson Roberto Leite, del Departamento de Química de la Universidad Federal de Sao Carlos (UFSCar), sigue de cerca desde hace algunos años el trabajo de Libanori y Studart. “Rafael Libanori fue alumno mío en iniciación científica y maestría y fui yo quien lo recomendó a Studart”, relata. “El trabajo que desarrollaron es sumamente importante, pues crean métodos de procesamiento de compuestos que hacen posible copiar las formas jerárquicas con las que la naturaleza organiza los materiales. Ése es el gran avance del grupo. Más que estudiar cómo trabaja la naturaleza, están reproduciendo la manera en que ella construye los materiales, en forma artificial, sin hacer uso de bioquímica ni genética”. Según Leite, las investigaciones brasileñas en el área recién están comenzando. “Hay algunos grupos trabajando en fotosíntesis artificial, como el nuestro, aquí en la UFSCar, y pocos en compuestos bioinspirados”, dice. “En tanto, en el mundo éste es un tema en expansión, con grandes grupos trabajando en investigaciones de punta.”
Artículo científico
LIBANORI, R. et al. Stretchable heterogeneous composites with extreme mechanical gradients. Nature Communications. v.3, artículo 1.65. 11 dic. 2012 (online)
