Cinco maneras en que la nanotecnología natural podría inspirar el diseño humano

Última Actualización en: septiembre 5, 2018

Aunque la nanotecnología se presenta como una invención humana bastante reciente, la naturaleza está llena de arquitecturas nanoscópicas. Sustentan las funciones esenciales de una variedad de formas de vida, desde las bacterias hasta las bayas, desde las avispas hasta las ballenas.

De hecho, el uso con tacto de los principios de la nanociencia puede atribuirse a estructuras naturales que tienen más de 500 años de antigüedad. A continuación se presentan sólo cinco fuentes de inspiración que los científicos podrían utilizar para crear la próxima generación de tecnología humana.

Aunque la nanotecnología se presenta como una invención humana bastante reciente, la naturaleza está llena de arquitecturas nanoscópicas. Sustentan las funciones esenciales de una variedad de formas de vida, desde las bacterias hasta las bayas, desde las avispas hasta las ballenas.

De hecho, el uso con tacto de los principios de la nanociencia puede atribuirse a estructuras naturales que tienen más de 500 años de antigüedad. A continuación se presentan sólo cinco fuentes de inspiración que los científicos podrían utilizar para crear la próxima generación de tecnología humana.

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Tabla de prefijos métricos

1. Colores estructurales

La coloración de varios tipos de escarabajos y mariposas es producida por conjuntos de pilares nanoscópicos cuidadosamente espaciados. Hecho de azúcares como el quitosano, o proteínas como la queratina, los anchos de las ranuras entre los pilares están diseñados para manipular la luz para lograr ciertos colores o efectos como la iridiscencia.

Uno de los beneficios de esta estrategia es la resiliencia. Los pigmentos tienden a blanquearse con la exposición a la luz, pero los colores estructurales son estables durante períodos notablemente largos. Un estudio reciente sobre la coloración estructural de las bayas de mármol azul metálico, por ejemplo, incluyó especímenes recolectados en 1974, que habían mantenido su color a pesar de haber estado muertos durante mucho tiempo.

Otra ventaja es que el color se puede cambiar simplemente variando el tamaño y la forma de las ranuras, y llenando los poros con líquidos o vapores también. De hecho, a menudo el primer indicio de la presencia de una coloración estructural es un cambio de color vivo después de que el espécimen ha sido empapado en agua. Algunas estructuras de las alas son tan sensibles a la densidad del aire en las ranuras que también se observan cambios de color en respuesta a la temperatura.

2. Visibilidad de largo alcance

Además de la simple desviación de la luz en ángulo para lograr la apariencia del color, algunas capas ultrafinas de paneles de hendidura invierten completamente la dirección del desplazamiento de los rayos de luz. Esta desviación y el bloqueo de la luz pueden trabajar juntos para crear efectos ópticos impresionantes, como las alas de una sola mariposa con una visibilidad de media milla, y escarabajos con escamas blancas brillantes que miden cinco micrómetros. De hecho, estas estructuras son tan impresionantes que pueden superar a las estructuras diseñadas artificialmente que son 25 veces más gruesas.

3. Adhesión

Los pies Gecko pueden unirse firmemente a prácticamente cualquier superficie sólida en milisegundos y desprenderse sin esfuerzo aparente. Esta adhesión es puramente física, sin interacción química entre los pies y la superficie.

La capa adhesiva activa del pie del geco es una capa nanoscópica ramificada de cerdas llamada “spatulae”, que mide unos 200 nanómetros de longitud. Varios miles de estas espátulas están unidas a “seta” de tamaño micrométrico. Ambos están hechos de queratina muy flexible. Aunque la investigación sobre los detalles más finos del mecanismo de fijación y separación de las espátulas está en curso, el hecho mismo de que funcionen sin productos químicos pegajosos es una impresionante proeza de diseño.

Los pies de Gecko también tienen otras características fascinantes. Son autolimpiantes, resistentes a la autolimpieza (la seta no se pega entre sí) y se separan por defecto (incluso entre sí). Estas características han llevado a sugerir que, en el futuro, las colas, tornillos y remaches podrían fabricarse todos a partir de un único proceso de colada de queratina o material similar en diferentes moldes.

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Nanomateriales

4. Resistencia porosa

La forma más fuerte de cualquier sólido es el estado monocristalino en el que los átomos están presentes en un orden casi perfecto desde un extremo del objeto hasta el otro. Cosas como varillas de acero, carrocerías de aviones y paneles de automóviles no son monocristalinos, sino policristalinos, similares en estructura a un mosaico de granos. Así que, en teoría, la resistencia de estos materiales podría mejorarse aumentando el tamaño del grano, o haciendo que toda la estructura sea monocristalina.

Los cristales individuales pueden ser muy pesados, pero la naturaleza tiene una solución para esto en forma de poros nanoestructurados. La estructura resultante – un mesocristal – es la forma más fuerte de un sólido dado para su categoría de peso. Las espinas de los erizos de mar y el nácar (nácar) están hechos de formas mesocristalinas. Estas criaturas tienen caparazones ligeros y sin embargo pueden residir a grandes profundidades donde la presión es alta.

En teoría, se pueden fabricar materiales mesocristalinos, aunque el uso de los procesos existentes requeriría una manipulación muy compleja. Las nanopartículas diminutas tendrían que ser giradas hasta que se alinearan con precisión atómica con otras partes de los mesocristales en crecimiento, y luego tendrían que ser gelificadas juntas alrededor de un espaciador suave para finalmente formar una red porosa.

5. Navegación bacteriana

Las bacterias magnetotácticas poseen la extraordinaria capacidad de detectar campos magnéticos diminutos, incluyendo los propios de la Tierra, utilizando pequeñas cadenas de nanocristales llamados magnetosomas. Estos son granos con un tamaño entre 30 y 50 nanómetros, hechos de magnetita (una forma de óxido de hierro) o, menos comúnmente, de gregito (una combinación de azufre de hierro). Varias características de los magnetosomas trabajan juntas para producir una “aguja de brújula” plegable, muchas veces más sensible que sus contrapartes hechas por el hombre.

Aunque estos “sensores” sólo se utilizan para navegar distancias cortas (las bacterias magnetotácticas habitan en estanques), su precisión es increíble. No sólo pueden encontrar su camino, sino que la variación del tamaño del grano significa que pueden retener la información, mientras que el crecimiento está restringido a los arreglos atómicos más sensibles desde el punto de vista magnético.

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Sin embargo, como el oxígeno y el azufre se combinan vorazmente con el hierro para producir magnetita, gregito o más de 50 otros compuestos – de los cuales sólo unos pocos son magnéticos – se requiere gran habilidad para producir selectivamente la forma correcta y crear las cadenas magnetosomales. Tal destreza está actualmente fuera de nuestro alcance, pero la navegación futura podría ser revolucionada si los científicos aprenden a imitar estas estructuras.

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