Los ingenieros copian a la naturaleza

Publicado por el Feb 20, 2013

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La naturaleza ofrece interesantes modelos para mejorar los materiales de construcción. El pico de un tucán, las escamas del pez vaca o la concha de una oreja de mar tienen en común su ligereza a la vez que su gran resistencia y dureza, características que los ingenieros aún no han logrado imitar en el diseño de nuevos materiales.

La ciencia de materiales, que se ocupa de estudiar la relación entre su estructura y sus propiedades, ha vuelto sus ojos a hacia los “biomateriales”, es decir, lo que la naturaleza utiliza para dar forma a sus logrados diseños, según explica en la revista Science Marc André Meyers, del departamento de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y Ciencia de los Materiales de la Universidad de California.

Los materiales que constituyen a los seres vivos, desde los que forman el hueso a los integran el ala que soporta el vuelo de las aves, tienen una serie de características comunes que los distinguen de los que los humanos utilizamos en nuestras construcciones. En primer lugar, la capacidad para autoensamblarse de abajo arriba. En segundo lugar, su multifuncionalidad. Muchos componentes de los seres vivos se utilizan con diversos fines. Un ejemplo, las plumas sirven para volar, como camuflaje y para mantener la temperatura de las aves. Lo huesos sirven como andamiaje al organismo, están implicados en la formación de los glóbulos rojos y protegen a los órganos internos.

Además, a diferencia de lo que ocurre con los materiales sintéticos empleados en diversas construcciones, la mayoría de los biomateriales se sintetizan a temperatura y presión ambiente y en un medio acuoso (el del interior del organismo). Y lo que es muy importante, estos materiales naturales han surgido como solución a las demandas que la plantea la existencia de los organismos, por lo que su eficacia está ampliamente probada. A esto hay que unir la capacidad de regeneración en muchos casos, a diferencia de los sintéticos, que sufren deterioros irreversibles.

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Resistente y flexible

Entre los materiales utilizados en la naturaleza, quizá uno de los más conocidos sea la tela de las arañas. Fabricada con seda, es capaz de resistir grandes fuerzas de estiramiento sin romperse, como muy bien saben la mayoría de los insectos que, como un proyectil, chocan contra ellas en pleno vuelo. Sus posibilidades de escapar una vez que han caído en la telaraña son escasas, porque, además, se quedan pegados. Y es que la seda que fabrican las arañas “es más fuerte que casi cualquier material“, como explica Meyers.

Pero no es el único ejemplo que los ingenieros estudian con meticulosidad para obtener nuevos materiales. Aquí te presentamos otros menos conocidos.

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Duro y ligero

El pico del tucán podría servir de inspiración para el diseño de aviones ultraligeros y componentes de vehículos. Constituye un tercio de la longitud del ave y debe ser bastante grueso para permitir las actividades de forrajeo (recolección de comida) y construcción del nido en lo alto del árbol, aunque sin tener un peso excesivo. La estructura del pico del tucán es bastante elaborada, con una carcasa externa queratinosa y una estructura celular ósea interna.

La solución para satisfacer todas esas demandas ambientales es una ingeniosa estrategia que le dota de dureza con poco peso. El interior del pico del es una especie de “espuma” rígida hecha de fibras óseas y membranas parecidas a las del tímpano intercaladas entre capas de queratina, la proteína que compone cuernos, pelo y uñas.

Una característica distintiva adicional del pico del Tucán es un núcleo hueco dentro de esa espuma, con lo que disminuye el peso. El resultado es una sólida “espuma” constituida por células herméticas que dan una rigidez adicional al pico. Finalmente, la espuma está cubierta con azulejos de queratina, cada uno de aproximadamente 50 micrómetros de diámetro y 1 micrómetro de espesor, que se pegan para producir una superficie continua, como las tejas de un tejado.

La oreja de mar

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Este molusco guarda el secreto de cómo amortiguar los golpes y podría servir de inspiración para fabricar chalecos antibala o materiales cerámicos mucho más resistentes. La concha de la oreja de mar es capaz de desviar las grietas de rotura y frenarlas. Lo logra superponiendo capas de materiales o interfaces para obstaculizar la fractura. Una concha de oreja de mar se compone de miles de capas de “azulejos” de carbonato de calcio (más conocido como tiza), aproximadamente 10 micrómetros de profundidad y 0,5 micrómetros de espesor -la centésima parte deel espesor de un cabello humano. Las pilas irregulares de azulejos finos refractan la luz para producir el brillo característico de nácar y también impiden la rotura de la concha, ya que se organizan en una estructura altamente ordenada dispuesta en de la forma que les confiere la mayor dureza teóricamente posible.

El pez vaca

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El pez vaca, que puede encontrarse en aguas tropicales y subtropicales en los océanos atlánticos y Pacífico ofrece un buen ejemplo de material ligero y resistente a la vez. Su caparazón está compuesto de escamas mineralizadas que no se superponen sino que se ligan por un sistema parecido a una cremallera. Las escamas se alojan en una cama de fibras que da flexibilidad al caparazón del pez. El resultado, un caparazón con una resistencia a la fractura muy superior a la de su principal constituyente, el carbonato cálcico.

El velcro, inspirado en una planta

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El velcro inspirado en una planta. Unas semillas pegadas al pantalón del ingeniero suizo George de Mestral, que paseaba a su perro, y la dificultad para eliminarlas culminaron en el velcro, que utilizamos ampliamente y que hace la vida más fácil a todos aquellos que odian atarse los cordones de los zapatos. El cardo Xanthium spinosum, comúnmente conocido como arrancamoños, tiene unas semillas con ganchos curvados especialmente preparadas para “viajar” prendidas en el pelo o ropa de quienes se ponen a su alcance. Inspirado en estas semillas, el ingeniero ideó un sistema de cierre con dos cintas: una con pequeñas púas flexibles que acaban en forma de gancho, como la semilla del arrancamoños, y otra que cubierta de fibras enmarañadas que forman bucles. Ambas cintas, como las semillas tienen a engancharse con facilidad.

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