Imagínese un molusco intentando adherirse a una roca. Está rodeado de un ambiente que podría complicar la labor, expuesto al agua marina con alto contenido de sal y al movimiento propio de las olas. Sin embargo, el molusco se adhiere. ¿Cómo lo logra?
Christopher Bettinger, investigador de la Universidad Carnegie Mellon, en Pittsburgh, Pensilvania, investigó este fenómeno con un grupo de científicos y descubrió que los moluscos extienden un músculo y, además, generan una sustancia similar a una baba o gel que les permite finalmente adherirse a la roca.
A partir de este descubrimiento, los científicos comenzaron a estudiar esta sustancia y a averiguar cómo podían sintetizarla en el laboratorio, con el fin de producir, por ejemplo, hidrogeles, los cuales son utilizados en tratamientos de heridas o liberación de fármacos en el cuerpo humano.
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Los investigadores del Ciemic se encuentran en la primera etapa de investigación, en la cual decidirán cuáles organismos quieren estudiar y con qué propósito.
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La línea de investigación del Dr. Bettinger está enfocada en el desarrollo de nuevos materiales a partir de estructuras bioinspiradas, y ahora esta línea de investigación también estará presente en la Universidad de Costa Rica (UCR) gracias a un grupo de científicos del Centro de Investigación en Estructuras Microscópicas (Ciemic).
“La intención del desarrollo de estos proyectos es estudiar cómo la naturaleza ha resuelto problemas o situaciones para poder subsistir y, a través del estudio de cómo los animales o plantas han resuelto estas situaciones, cómo nosotros podemos copiarles, por decirlo así, está solución que ellos tomaron”, indicó la bióloga Paula Calderón, una de las científicas participantes de esta nueva línea de investigación que inició apenas este año.
¿Cómo funciona esto? La bióloga lo explicó con otro ejemplo. Existen algunas especies de plantas que tienen superficies con propiedades que repelen el agua. El estudio de estas propiedades ha permitido que estas se apliquen, por ejemplo, en textiles, para que estos puedan repeler también el agua.
“Muchas de estas propiedades son microestructurales; es decir, no se pueden observar a simple vista, sino la composición de su estructura les permite adaptarse. Muchas veces son estructuras o en otras situaciones puede ser por alguna sustancia química”, explicó Calderón.
Para poder iniciar proyectos de investigación en esta línea, el Dr. Bettinger visitó recientemente la UCR, donde ofreció charlas abiertas al público y talleres para los investigadores, con el fin de capacitarlos mejor en la materia.
“De la combinación de estructuras y de características químicas y mecánicas de organismos pueden surgir nuevos materiales con aplicaciones en diversas áreas, especialmente en cuanto a adhesión, texturas y mojabilidad”, expresó a la UCR el investigador estadounidense.
La nueva línea de investigación está conformada por un equipo multidisciplinario, con aproximadamente ocho profesionales en biología, ingeniería mecánica y química, dispuestos a encontrar cómo la naturaleza puede servir de fuente de inspiración para crear nuevos materiales y tecnologías.
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Hasta el momento, los dos candidatos más fuertes son las ranas arborícolas y los escarabajos acuáticos.
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Ranas y escarabajos
La línea de investigación de materiales bioinspirados se encuentra apenas en su primera etapa, en la que los científicos deben encontrar qué quieren investigar, cuáles organismos les interesa trabajar y por qué, para poder plantear en firme su proyecto.
Sin embargo, los investigadores ya tienen en mente dos organismos con los que les gustaría trabajar: las ranas arborícolas y los escarabajos acuáticos.
De acuerdo con Paula Calderón, las ranas arborícolas les atañen por su capacidad de desplazarse por diferentes texturas y superficies, y cómo se adhieren a estas.
De los escarabajos acuáticos, les interesan todas las adaptaciones que tienen estos seres para subsistir en este medio, tanto a nivel de la quitina y exoesqueleto, como de los mecanismos por los cuales ellos absorben el oxígeno y lo mantienen para poder respirar el rato que pasan debajo del agua.
Para poder estudiar las propiedades y características de estos organismos, los científicos estarían utilizando herramientas especiales que les proveen los laboratorios del Ciemic, como la microscopía electrónica de barrido, la microscopía electrónica de transmisión y la microscopía confocal.
Además, como el grupo cuenta con la participación de ingenieros mecánicos y químicos, la idea es que se puedan utilizar otros equipos que no tiene el Ciemic, como la microscopía de fuerza atómica para estudiar propiedades micromecánicas; goniómetros para medir la tensión superficial y redómetros para medir la viscosidad de la sustancias, entre otros.
Según Calderón, la visualización que contemplan es poder generar materiales bioinspirados que se usen en dispositivos biomédicos y en dispositivos que ayuden a mejorar la calidad del agua.
“Nosotros esperamos que este tipo de información pueda ser utilizada, por un lado, para la fabricación de dispositivos médicos y, por otro lado, también pensando un poco en fabricación de, por ejemplo, filtros para purificación o recolección de agua; esas aplicaciones de soluciones son importantes a nivel de sociedad” concluyó.
Abejones metálicos de la UCR
Aunque esta área de investigación es novedosa en la UCR como una línea formal, lo cierto es que ya han existido otros proyectos que han utilizado seres vivos como fuentes de inspiración para crear otros materiales o soluciones tecnológicas.
Un ejemplo de esto es la investigación del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales (Cicima) de la UCR llamada “Estudio de propiedades ópticas y mecánicas de abejones del territorio costarricense”, la cual recibió el premio del Fondo Especial de Estímulo a la Investigación 2011 otorgado por la Vicerrectoría de Investigación de la UCR.
Esta investigación estudió a los abejones costarricenses para conocer mejor cómo es que esas propiedades dan origen a su coloración metálica. Para esto, los científicos a cargo se concentraron en la estructura de una parte de las alas de estos abejones, denominada élitro.
Los élitros son una especie de alas delanteras endurecidas que sirven de protector de las alas posteriores aptas para el vuelo. Estas se abren y funcionan como barrera protectora cuando el insecto está en vuelo, y, cuando está en reposo, les sirven de cobertor.
Los investigadores de este proyecto del Cicima estudiaron los élitros de los abejones manipulando irradiaciones de luz y observando en el microscopio cómo se refleja y refracta en la superficie de estas alas, para tratar de descubrir las propiedades ópticas que causan ese efecto de coloración metálica.
De acuerdo con la Vicerrectoría de Investigación, el equipo de científicos sostiene la hipótesis de que, al igual como un prisma descompone la luz en colores, las diferentes capas de los élitros del abejón reflejan con mayor fuerza las diferentes longitudes de ondas de luz, que son las que originan los colores.
Al reflejarla de esa manera, transforman la luz visible que perciben nuestros ojos y los de sus depredadores. Esto les sirve de camuflaje para confundirse en el ambiente que los rodea.
En este caso, comprender la manera en cómo la naturaleza se las ingenió para crear esa apariencia metálica dará la posibilidad de reproducir esas cualidades en nuevos materiales que simulen un recubrimiento de oro, plata, o bien, de una capa de apariencia metálica.
En el 2015, Andrés Esteban Mora, científico costarricense radicado en los Estados Unidos, se propuso enviar muestras de esos élitros a la Estación Espacial Internacional para analizar cómo se comportan estas propiedades en el espacio, traerlo de vuelta a tierra y continuar la investigación.
Entre sus objetivos está el valorar la posibilidad de que los élitros de estos abejones también tengan la capacidad de almacenar la energía procedente de la luz solar, de manera similar a las plantas, lo cual representaría el primer caso en el mundo animal.
