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El primer vuelo de la mariposa inspira una nueva fuente de energÃa
La quitina, un polimero orgánico de la que están compuestas las alas de las mariposas, ha demostrado una prometedora capacidad como nueva vÃa para producir fuerza y electricidad.
A través del intercambio de agua con el medio ambiente, las pelÃculas quitinosas sensibles a la humedad pueden generar energÃa mecánica y eléctrica para uso potencial en aplicaciones biomédicas y de ingenierÃa, según han descubierto cientÃficos de la SUTD (Singapore University of Technology and Design).
Las alas de una mariposa están hechas de quitina, un polÃmero orgánico que es el componente principal de las conchas de artrópodos como crustáceos y otros insectos. Cuando una mariposa emerge de su capullo en la etapa final de la metamorfosis, desplegará lentamente sus alas en toda su grandeza.
Durante el despliegue, el material quitinoso se deshidrata mientras la sangre bombea a través de las venas de la mariposa, produciendo fuerzas que reorganizan las moléculas del material para proporcionar la fuerza y rigidez únicas necesarias para el vuelo. Esta combinación natural de fuerzas, movimiento del agua y organización molecular es la inspiración detrás de la investigación del Profesor Asociado Javier G. Fernández.
Junto con otros investigadores de la SUTD, Fernández ha estado explorando el uso de polÃmeros quitinosos como material sostenible para aplicaciones de ingenierÃa.
En su último estudio, publicado en Advanced Materials Technologies, el equipo de investigación arrojó luz sobre la adaptabilidad y los cambios moleculares de los materiales quitinosos en respuesta a los cambios ambientales.
«Hemos demostrado que incluso después de ser extraÃdos de fuentes naturales, los polÃmeros quitinosos conservan su capacidad natural para vincular diferentes fuerzas, organización molecular y contenido de agua para generar movimiento mecánico y producir electricidad sin necesidad de una fuente de alimentación externa o un sistema de control», dijo Fernández, destacando las caracterÃsticas únicas que hacen que los polÃmeros quitinosos sean materiales inteligentes energéticamente eficientes y biocompatibles.
La quitina es el segundo polÃmero orgánico más abundante en la naturaleza después de la celulosa y forma parte de todos los ecosistemas. Se puede obtener fácilmente y de manera sostenible de múltiples organismos, y el mismo equipo de investigación de SUTD ha demostrado que se puede obtener incluso de los desechos urbanos.
En el estudio actual, los investigadores extrajeron polÃmeros quitinosos de caparazones de camarones desechados para crear pelÃculas de aproximadamente 130,5 micrómetros de espesor. Investigaron los efectos de las fuerzas externas en estas pelÃculas de quitina, centrándose en los cambios en la organización molecular, el contenido de agua y las propiedades mecánicas. Los investigadores observaron que, de manera similar al despliegue de las alas de las mariposas, el estiramiento de las pelÃculas quitinosas reorganizó la estructura cristalina: las moléculas se empaquetaron más estrechamente y el contenido de agua disminuyó.
Originalmente con caracterÃsticas similares a los plásticos comerciales, las pelÃculas quitinosas se transformaron en un material que se asemeja a los plásticos para fines de ingenierÃa especializados y de alta gama. A diferencia de la naturaleza inerte de los polÃmeros sintéticos, las pelÃculas de quitina reorganizadas podrÃan relajarse y contraerse de forma autónoma en respuesta a los cambios ambientales, de forma similar a cómo algunos insectos adaptan su caparazón a diferentes situaciones. Esta capacidad permite que las pelÃculas quitinosas levanten objetos que pesen más de 4,5 kilogramos verticalmente.
Para demostrar la aplicabilidad de ingenierÃa de las pelÃculas biocompatibles, el equipo de investigación las ensambló con una mano mecánica. Al controlar el agua intermolecular de las pelÃculas a través de cambios ambientales y procesos bioquÃmicos, el equipo creó suficiente fuerza para que la mano mostrara un movimiento de agarre. Sorprendentemente, la fuerza de agarre fue equivalente a 18 kilogramos, más de la mitad de la fuerza de agarre promedio de un adulto.
La capacidad de producir tal fuerza a través de medios bioquÃmicos también sugiere la posible integración perfecta de pelÃculas quitinosas en sistemas biológicos y su idoneidad para aplicaciones biomédicas, como músculos artificiales e implantes médicos.
En una demostración diferente, el equipo mostró que la respuesta del material a los cambios de humedad podrÃa usarse para recolectar energÃa de los cambios ambientales y convertirla en electricidad. Al unir las pelÃculas a un material piezoeléctrico, el movimiento mecánico de las pelÃculas en respuesta a los cambios de humedad se convirtió en corrientes eléctricas adecuadas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
El estudio de prueba de concepto de Fernández ilustra cómo se pueden reproducir tanto las caracterÃsticas mecánicas nativas como las funcionalidades integradas de la quitina, lo que enfatiza el uso potencial de la quitina en aplicaciones biomédicas y de ingenierÃa. Él opina que los materiales como la quitina juegan un papel vital en la transición a un paradigma más sostenible, que él denomina como la era de los biomateriales.
La quitina se usa para muchas funciones complejas en la naturaleza, desde hacer las alas de los insectos hasta formar las duras conchas protectoras de los moluscos, y tiene una aplicación de ingenierÃa directa. Nuestra capacidad para comprender y usar la quitina en su forma nativa es fundamental para permitir nuevas aplicaciones de ingenierÃa y desarrollarlos dentro de un paradigma de integración ecológica y baja energÃa», concluyó Fernández.