(Imagen simbólica). La mandíbula de un gusano depredador conecta proteínas estructurales con iones metálicos incrustados y así logra una dureza similar al metal. Como biometal, el material muestra un comportamiento mecánico que recuerda en parte al cobre y la plata y al mismo tiempo es claramente diferente de ellos. Los investigadores ven esto como una nueva clase de materiales con un modelo para la tecnología.
(Foto: © Investigación y conocimiento)
La mandíbula de un pequeño gusano marino combina biología y metalurgia de forma sorprendente. En lugar de hueso o cal, esta herramienta para morder está hecha de proteínas estructurales unidas con iones metálicos, logrando así una dureza similar al metal. Las mediciones muestran un comportamiento mecánico que por lo demás sólo se conoce en metales como el cobre o la plata, pero que al mismo tiempo se diferencia claramente de ellos. Los investigadores asignan este material a una nueva clase que denominan biometal, lo que podría abrir nuevas vías para la investigación de materiales.
Los gusanos depredadores se encuentran entre los habitantes más antiguos del mar y llevan una herramienta extraordinaria en la cabeza. La especie Perinereis cultrifera utiliza poderosas mandíbulas para agarrar, aplastar y despedazar a sus presas. A diferencia de los vertebrados, estas mandíbulas no están formadas por tejido calcificado, sino más bien por una densa red de proteínas estructurales en las que están incrustados iones metálicos. Esta combinación de estructura orgánica e iones incrustados le da al material una dureza que uno esperaría de los materiales de ingeniería. Los expertos sospechan desde hace tiempo que estas proteínas coordinadas por metales siguen sus propias reglas mecánicas. Debido a que la interacción entre proteínas e iones es tan inusual, la mandíbula del gusano es un objeto de estudio ideal para volver a medir y comprender mejor el límite entre el tejido vivo y el material metálico.
El término biometal significa mucho más que un simple material biológico que parece duro. Los investigadores lo definen por tres características: alta dureza, comportamiento especial de deformación bajo carga y un ajuste perfecto de iones y proteínas. Esto significa que la nueva categoría se distingue deliberadamente de nombres más antiguos que solo describían resistencia o conductividad similar a la del metal. Para hacer visibles estas propiedades, se necesitan métodos de medición en el rango micro y nano que registren con precisión las fuerzas más pequeñas. Ahí es donde entra en juego el estudio actual, que examina la mandíbula del gusano no sólo en la superficie, sino a lo largo de su sección transversal. De esta manera se puede aclarar si un material natural sigue las mismas leyes que un metal clásico o si sigue un camino específico de la ciencia de materiales que hasta ahora acaba de ser descrito.
¿Qué tan duras son las mandíbulas del gusano?
Para el análisis, el equipo de la Universidad Técnica de Viena y la Universidad de Viena utilizó la nanoindentación, un proceso en el que se presiona una pequeña punta en el material con una fuerza definida. Los investigadores midieron la resistencia a la penetración del material en once puntos de la mandíbula y a seis profundidades diferentes. También utilizaron análisis químicos e imágenes de alta resolución para visualizar la distribución de iones metálicos. Esto confirmó que los iones se localizan más densamente en las puntas de la mandíbula que en el centro, lo que explica las puntas más duras. Los autores revelan los detalles de esta serie de mediciones en su estudio publicado en Biophysical Reviews, que combina experimentos y modelos matemáticos. Estas mediciones, resueltas espacialmente, muestran que la naturaleza desplaza la dureza precisamente allí donde la herramienta está sometida a la mayor carga al morder.
Un efecto dimensional como los metales reales.
Lo que más sorprendió fue un fenómeno que los expertos conocen como efecto de tamaño: cuanto más pequeña es la superficie analizada, más duro parece el material. En los metales cristalinos, este efecto se debe a dislocaciones, es decir, pequeños defectos en la red atómica. Sin embargo, la mandíbula del gusano no tiene una red cristalina metálica, sino una estructura de proteínas unidas por iones, y aún así muestra el efecto. La elasticidad, es decir, la capacidad de remodelarse después de una carga, era aún más inusual. Este comportamiento también cambió con el tamaño del área probada, de una manera que no experimentan el cobre o la plata. Es precisamente esta diferencia la que separa al biometal de los metales comunes y lo hace tan atractivo para la ciencia de materiales, porque indica su propio modelo de resistencia, como se describe en la idea básica de la biónica como modelo de la naturaleza.
¿Qué significan los biometales para la tecnología?
Para explicar este inusual comportamiento elástico, los investigadores utilizaron un modelo matemático que vincula fuerzas microscópicas con mecánicas a gran escala. Esta herramienta está destinada a ayudar en el futuro a diseñar específicamente materiales que combinen dureza y flexibilidad de una forma inteligente, similar a la de la mandíbula del gusano. Son posibles cantos de corte autoafilables, revestimientos resistentes al desgaste o componentes que no requieren un trabajo del metal que consuma mucha energía. Otro aspecto interesante es que la naturaleza crea tal dureza a temperatura ambiente y en agua, mientras que los materiales técnicos duros a menudo requieren altas temperaturas, como lo demuestra el ejemplo de las estructuras de carbono particularmente duras. Se trata todavía de investigación básica, y el camino desde las mandíbulas de gusano hasta los materiales industriales es largo. Sin embargo, el estudio proporciona una base fiable para medir sistemáticamente biometales y transferir sus principios a materiales técnicos.
Reseñas de Biofísica, Biometales: materiales biológicos antiguos con efectos dimensionales de nanoindentación: experimentos y elementos de micromecánica múltiple; doi:10.1063/5.0325367
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