Biomimética
Aprendiendo de la naturaleza – Manipulando la luz con la ayuda de las cigarras de hoja
Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha descubierto que las pequeñas partículas secretadas por las cigarras de hoja, que se encuentran comúnmente en nuestro patio trasero, pueden ayudarnos a construir tecnología de próxima generación.
Publicado recientemente en la PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, los investigadores, por primera vez, lograron replicar exactamente la compleja geometría de las misteriosas partículas, llamadas brochosomes, y cómo absorben la luz.
El hecho es que muchos materiales funcionales naturales consisten en micro y nanoestructuras jerárquicas que son partes integrales de superficies biológicas. Las cigarras de hoja, en particular, excretan brochosomes y los utilizan como materiales desplegables en sus superficies corporales.
Los brochosomas son esferoides intrincadamente estructurados, con forma de buckyball y con agujeros a través de ellos, producidos por la cigarra de hoja. Son huecos y nanoscópicos, lo que significa que son extremadamente pequeños y están en la escala nanométrica, que es una milmillonésima de metro. Estas partículas hidrofóbicas son secretadas por las cigarras de hoja y se encuentran en la superficie de su cuerpo.
Aunque fueron descubiertos por primera vez hace varias décadas, en la década de 1950, aún no comprendemos la importancia funcional de la geometría de los brochosomas, algo que este estudio pretende cambiar.
Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería biomédica e ingeniería mecánica en Penn State, dirigió el estudio. Descubrió que los agujeros de los brochosomas pueden ayudar a reducir la reflexión de la luz. Esto marca el primer ejemplo biológico que demuestra una funcionalidad antirreflexión de paso bajo para longitudes de onda cortas, refiriéndose a un recubrimiento óptico que reduce la reflexión en un rango determinado de longitudes de onda más cortas mientras permite que las longitudes de onda más largas pasen.
Según el estudio, la geometría única de los brochosomas podría permitir el desarrollo de materiales ópticos bioinspirados (materiales finamente ajustados y sensibles inspirados en estructuras naturales encontradas en organismos vivos).
Este desarrollo difiere del efecto anti‑reflexivo de los ojos de polilla, que ha inspirado recubrimientos altamente efectivos para su uso en paneles solares, teléfonos inteligentes y tabletas. Los ojos de las polillas no reflejan luz debido a la estructura periódica a nanoescala de su superficie, lo que hace que la luz incidente se disperse en direcciones aleatorias. Como resultado, en lugar de reflejarse, la luz se transmite al ojo.
Así, los brochosomas de las cigarras de hoja ofrecen un enfoque distinto para la manipulación óptica bioinspirada, con posibles aplicaciones en recubrimientos, dispositivos de invisibilidad y una captura de energía solar más eficiente.
Replicando las estructuras complejas de los brochosomas
Dada la comprensión limitada de la geometría única de los brochosomas, su presencia constante en diversas especies de cigarras de hoja, y la incertidumbre respecto a sus tamaños y agujeros, que típicamente varían en cientos de nanómetros, los investigadores de Penn State emprendieron este estudio para descubrir estos misterios y dilucidar su importancia para estas especies.
El equipo ha estado trabajando en esto durante varios años. En 2017, fue en realidad la primera vez que se desarrolló una versión sintética de los brochosomas para obtener una mejor comprensión de su función.
Fabricar estos brochosomas en el laboratorio ha sido una tarea desafiante a pesar de que los científicos los conocen desde hace tanto tiempo. Esto se debe a la complejidad geométrica de estas partículas. También se desconocía por qué estos insectos de patio trasero secretan partículas con estructuras tan complejas.
Hace años, aunque se imitaban con éxito características de los brochosomas como los hoyuelos y su distribución usando materiales sintéticos, los investigadores no pudieron crear una réplica exacta. Ahora es la primera vez que el equipo ha logrado replicar la geometría exacta del brochosoma natural en una forma escalada de 20 000 nanómetros de tamaño.
Ahora, para crear estas estructuras complejas en el laboratorio, el equipo de investigación utilizó un método de impresión tridimensional de alta tecnología. Emplearon la polimerización de dos fotones (2PP) en impresión 3D para fabricar versiones sintéticas de alta fidelidad de los brochosomas.
El estudio señaló que, aunque las mejores impresoras 3D pueden crear objetos con una resolución de 200 nm a 500 nm, no alcanzan a replicar las geometrías a nanoescala de los brochosomas naturales, que están en el rango de ~300 nm a 600 nm. Por ello, utilizaron una técnica de modelo de escala y luego fabricaron brochosomas sintéticos microscópicos como sistema modelo.
Los brochosomas sintéticos y sus agujeros fueron diseñados con diámetros de aproximadamente 20 µm y 5 µm, respectivamente, para asegurar que las estructuras impresas fueran mucho más grandes que la resolución de la impresora 3D. La estructura resultante tenía 12 agujeros pentagonales y 20 agujeros hexagonales conectados a través de un núcleo hueco. Mientras que el grosor de la cáscara era el 7 % del diámetro total, el grosor de la pared del agujero era del 20 %, imitando los brochosomas naturales.
La muestra fabricada consistía además en una matriz de 20 × 20 brochosomas sintéticos en una red HCP que resultó en una densidad de empaquetamiento de aproximadamente el 91 %. También se fabricó una muestra de control que no tenía estructuras de agujeros.
El equipo luego examinó la relación forma‑función óptica de los brochosomas, lo que mostró que las geometrías jerárquicas de los brochosomas están diseñadas dentro de un rango estrecho de tamaños con arquitectura de agujeros para reducir significativamente la reflexión de la luz.
Para investigar cómo interactúan los brochosomas con la luz infrarroja de diferentes longitudes de onda, los investigadores utilizaron un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier micro (FTIR) que les ayudó a comprender cómo la luz es manipulada por las estructuras.
Se descubrió que las partículas fabricadas en laboratorio pueden reducir la reflexión de la luz hasta en un 94 %, lo cual es significativo, ya que es la primera vez que se observa a una especie natural controlar la luz de manera tan específica mediante partículas huecas.
Este descubrimiento también sugiere la fuerte posibilidad de que las cigarras de hoja se cubran con una armadura de brochosomas para camuflarse y evitar depredadores, en lugar de las teorías anteriores que especulaban que era una forma de mantenerse libres de contaminantes y agua, según el coautor Wong.
Además, el equipo descubrió que la apariencia hueca y con forma de buckyball del brochosoma, junto con el tamaño de sus agujeros, cumple una doble función: absorber la luz ultravioleta (UV) y dispersar la luz visible.
Curiosamente, se ha encontrado que el tamaño es consistente entre las especies de cigarras de hoja, independientemente del tamaño corporal del insecto. Así, los brochosomas miden alrededor de 600 nanómetros de diámetro, y los poros aproximadamente 200 nanómetros.
Esta consistencia reduce la visibilidad ante depredadores como aves y reptiles, que poseen visión UV, al absorber la luz UV facilitada por el tamaño de los agujeros. Además, la dispersión de la luz visible crea un escudo anti‑reflexivo contra posibles amenazas.
Aplicaciones potenciales asombrosas
Así, con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, el estudio pudo encontrar la respuesta a la complejidad de las estructuras, demostrando que fueron diseñadas para mejorar la dispersión de luz de banda ancha. Además, los agujeros redujeron aún más la reflexión de la luz al funcionar como filtros de paso bajo de longitud de onda corta.
Estos efectos permiten que los brochosomas logren una reducción de la reflexión especular de entre el 80 % y el 94 % en un rango de longitudes de onda de banda ancha. Según Lin Wang, autor principal del estudio y becario postdoctoral en ingeniería mecánica, “esto podría ser muy útil para la innovación tecnológica.”
Contar con una nueva forma de regular la reflexión de la luz en una superficie puede permitir a los científicos ocultar las firmas térmicas tanto de máquinas como de humanos. Wang postula que algún día podríamos utilizar los trucos de las cigarras de hoja para crear un manto de invisibilidad térmica para nosotros mismos, lo que tiene potencial en aplicaciones militares y de vigilancia.
“Nuestro trabajo muestra cómo comprender la naturaleza puede ayudarnos a desarrollar tecnologías modernas.”
– Wang
Algunas aplicaciones potenciales de los hallazgos incluyen protectores solares avanzados para proteger contra el daño solar, reduciendo el riesgo de cáncer de piel. Además, se pueden desarrollar recubrimientos para proteger productos farmacéuticos del daño inducido por la luz, mejorando la eficacia y durabilidad de medicamentos sensibles. Los investigadores también señalaron que este conocimiento podría conducir al desarrollo de sistemas de captura de energía solar más eficientes.
Aunque el equipo ha creado réplicas exactas de los brochosomas naturales, su trabajo está lejos de terminar. En el próximo paso, los investigadores se centrarán en mejorar la fabricación de brochosomas sintéticos para que coincidan más estrechamente con el tamaño de sus contrapartes naturales.
El equipo también explorará aplicaciones adicionales para los brochosomas sintéticos, como la encriptación de información. Las complejas estructuras de los brochosomas podrían integrarse en un sistema de encriptación donde los datos solo sean visibles bajo longitudes de onda específicas de luz, permitiendo comunicaciones seguras.
Según Wang, el estudio muestra el valor de inspirarse en la naturaleza, que “ha sido una buena maestra para los científicos al desarrollar materiales avanzados novedosos.”
Las cigarras de hoja son solo una de muchas especies de insectos, marcando solo el comienzo; con tantos “increíbles insectos esperando a que los científicos de materiales los estudien,” Wang anticipa que dicha investigación “nos ayudará a resolver varios problemas de ingeniería.”
Los investigadores han presentado una patente provisional estadounidense para su trabajo, que también contó con contribuciones de Zhuo Li, candidato a doctorado en ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, y Sheng Shen, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon.
Productos inspirados en la ingeniería inversa exitosa de la naturaleza
El estudio muestra las grandes implicaciones de aprender de la naturaleza. Pero esto no es un fenómeno nuevo; los humanos se han inspirado en la naturaleza desde el principio de los tiempos.
Históricamente, los antiguos griegos proporcionaban proporciones a sus edificios según la proporción áurea. En el siglo XIX, los colonos españoles en Colorado utilizaban la profundidad de las madrigueras de las ardillas de tierra colombianas para construir sus hogares sobre el suelo. Más recientemente, los científicos incluso han realizado ingeniería inversa de los sistemas de equilibrio de insectos como las cucarachas para diseñar robots más estables.
Los gecos, en particular, han sido una gran fuente de inspiración en la industria de la robótica. Ingenieros de la Universidad de Waterloo estudiaron la capacidad de agarre de los gecos y la locomoción eficiente de las lombrices de tierra para crear un pequeño robot que se espera ayude a los médicos a realizar cirugías algún día.
El grupo Max Planck busca aprovechar las ideas obtenidas de los duros aterrizajes de los gecos para ayudar a los vehículos aéreos robóticos a posarse de manera más disciplinada. Incluso la NASA se inspira en los reptiles, con su adhesivo de gecko ya probado en la Estación Espacial Internacional. Mientras tanto, el robot RiSE de Boston Dynamics, con sus pies inspirados en los gecos, muestra cómo la brillantez de la naturaleza puede usarse para increíbles invenciones y productos.
Así que, echemos un vistazo a un par de empresas que han diseñado y desarrollado productos inspirados en la naturaleza:
#1. Velcro Industries
En 1941, el ingeniero y empresario suizo George de Mestral inventó Velcro, un avance inspirado en los cardos que encontró en él y su perro. Al examinar el cardo bajo un microscopio, descubrió un mecanismo simple pero ingenioso: pequeños ganchos y bucles de tela que permitían que el cardo se adhiriera firmemente a las superficies. Esto lo llevó a replicar la estructura del cardo como un posible sujetador.
Los sujetadores de la marca ALFA-LOK de Velcro son otro ejemplo de esto, que se inspiran en la estructura única de los hongos. El sujetador presenta pequeños ganchos con forma de sombreros de hongos, que son pequeñas copas tipo paraguas que cubren y protegen las diminutas esporas, y en la parte superior de cada gancho hay una tapa que ayuda a crear un cierre seguro.
La inspiración de la naturaleza, según Velcro, ha asegurado pañales para bebés, nos ha llevado a la luna y ha creado más de 2 000 patentes. Hoy, Velcro se ha convertido en un término genérico y se utiliza en una amplia gama de sectores, incluidos la informática, la salud y la industria automotriz.
#2. Sharklet Technologies
Para combatir la propagación de bacterias, esta empresa desarrolla superficies que inhiben el crecimiento de bacterias y microbios, una innovación que encuentra aplicación en entornos de salud. En lugar de depender de químicos agresivos o antibióticos, estas superficies obtienen sus propiedades antibacterianas de su propia estructura.
Estas superficies presentan un recubrimiento único de patrones microscópicos inspirados en la textura de la piel de tiburón. Con una altura de aproximadamente 3 micrones y un ancho de 2 micrones, estos patrones son imperceptibles al ojo desnudo o al tacto. La empresa desarrolla varias variantes del micropatrón Sharklet, con los positivos sobresaliendo de la superficie mientras que los inversos están hundidos en la superficie del material.
El patrón surgió cuando, en 2002, el profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Dr. Anthony Brennan, encontró la solución al problema de evitar que las algas cubrieran los cascos de barcos y submarinos. Al examinar la impresión de la piel de tiburón con microscopía electrónica de barrido, descubrió que estaba organizada en un patrón de diamante con pequeñas ribetas que impiden la colonización de microorganismos.
#3. BioMASON
En el sector de la infraestructura, esta empresa está utilizando la biomimética para producir cemento, que representa el 8 % de las emisiones globales de dióxido de carbono. Para reducir el impacto climático de la construcción a medida que la demanda de cemento crece, Biomason cambió la forma en que produce cemento.
La empresa, que comercializa su tecnología a otras compañías, se inspiró en una de las estructuras más robustas y duraderas de la naturaleza: los arrecifes de coral. Al imitar la formación natural de carbonato de calcio en conchas y arrecifes de coral, Biomason adopta un proceso similar para fabricar su biocemento en lugar de calentar piedra caliza para extraer su carbono.
Ahora busca utilizar la biomimética para crear materiales fuertes y sostenibles para edificios. Incorpora agregados de desechos mineros y emplea microorganismos como agente aglutinante para este agregado, confiando en el calor del sol para el proceso de secado después de la limpieza. La empresa ha asegurado financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa para desarrollar Cemento Marino Vivo Ingenierizado. Además, el proyecto MEDUSA está en marcha, con el objetivo de construir pistas y estructuras de grado militar en áreas remotas utilizando microorganismos.
Conclusión
Como dijo Wang, las cigarras de hoja y otros insectos “no son bichos; son inspiraciones”. Durante años, los científicos han estudiado la naturaleza y la han utilizado para diseñar productos, como señalamos arriba. A través de la investigación continua, resultados prometedores y sus posteriores aplicaciones en áreas como camuflaje multiespectral, encriptación óptica y recubrimientos antirreflexivos omnidireccionales, estudios como los brochosomas anti‑reflexivos de las cigarras de hoja pueden conducir a numerosos avances tecnológicos y generar cambios inmensos en diversas industrias.
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