Bio-inspiración: flor de loto y salamanquesas

A Roberto lo descubrimos en uno de los primeros posts del blog. Ayer le volví a visitar en el laboratorio del departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT, donde este físico e ingeniero de materiales salmantino realiza su investigación post-doctoral en nanofibras de carbono. Me habló de aerogeles, nanotubos, microfabricación, y de los nuevos materiales que están testando para incrementar la resistencia en los trajes de los jugadores de fútbol americano. Y acordamos que mensualmente nos iría presentando en este blog algunos de los avances tecnológicos que poco a poco se irán implantando en nuestras vidas. Ah! dice que acepta peticiones… Bio-inspiracion: Flor de loto y patas de salamanquesas, por Roberto Guzmán de Villoria Quien se dedica a la ciencia sabe que una de las funciones indirectas del investigador es el dar presentaciones de los proyectos que uno realiza. Se suele ir en traje y dependiendo de la importancia de la ponencia, uno duerme mejor o peor. La mayoría de las veces son lejos de casa e incluso con diferente horario, por lo que lo único que ayuda a despejarse es un poco de café. El problema es cuando lo tomas justo antes de la ponencia y cae una gota en medio de la camisa… Resulta increíble que en pleno siglo XXI, después de la teoría de cuerdas , transmitir electricidad sin necesidad de cables o incluso vender sprays que sirven para enamorar a la gente (esto sigo sin creérmelo), uno tuviera que preocuparse todavía de las manchas de café (es curioso el efecto hipnótico que tiene ese punto en tu camisa blanca durante una presentación. Estad seguros que todos se han dado cuenta, por pequeño que sea). Así que tanta alta tecnología, pero la mayoría de los problemas cotidianos siguen sin resolverse. Bueno, no todos. En este caso la naturaleza nos lleva millones de años de ventaja, con el denominado efecto flor de loto. Este efecto es la capacidad que tienen estas hojas de no mojarse, quedando el agua en forma de gotas en su superficie y resbalando hasta caer, lo que hace que arrastren el polvo o la suciedad, manteniéndose de esta forma siempre limpias. Puede que sea a causa de este efecto por el que en el budismo la flor de loto se asocia a la pureza. Sin embargo no fue hasta los años 70 cuando Wilhelm Barthlot , un botánico que caracterizaba plantas mediante microscopía electrónica, descubrió porqué en algunas el agua se extendía por su superficie y porqué en otras se formaban gotas casi perfectas. Observando la microestructura de las hojas descubrió que aquellas con superficie más rugosa eran las que peor se mojaban. Básicamente lo que ocurre es que las hojas que no se mojan están recubiertas por una estructura formada por micromontículos. Estos micromontículos serían semejantes a las agujas de un colchón de faquir, reduciendo la superficie de contacto con el agua. Si además estos micromontículos están recubiertos por miles de nanopelos, el agua no sólo no moja la superficie, sino que además se desliza por ella, tal y como se ha demostrado recientemente. Lo interesante de esta estructura es reproducirlo artificialmente y así crear superficies repelentes del agua, bien en pinturas, ya desarrolladas por el propio Barthlot, hasta en tejidos ya comercializados, donde diminutas nanofibras son adheridas a la superfice de fibras tradicionales, como el algodón. La presencia de millones de nanoestructuras en una superficie rugosa tiene muchas ventajas además de la hidrofobicidad observada entre la hoja rugosa y la gota de agua. Veamos qué ocurre en el caso de la salamanquesa. Estos animales tienen la increíble capacidad de escalar por todo tipo de superficies, una propiedad muy atractiva para muchas aplicaciones robóticas. Quien haya sido suficientemente rápido de capturar una y observar sus patitas, habrá podido ver que su piel es muy rugosa, recorrida por unas bandas laterales de algo menos de un milímetro de anchura. Cada una de estas bandas está compuesta por unos pelillos, pudiendo llegar al medio millón por patita. A su vez cada uno de estos pelillos está formado por una especie de cucharillas diminutas, del orden de nanómetros. Toda esta estructura de nanocucharillas flexibles hace que la patita de una salamanquesa pueda tener un billón de puntos de contacto. Sin embargo el mecanismo de adhesión no es tan obvio. En un principio se pensó que podría ser por fuerzas capilares (las mismas que hacen que el agua sea “succionada” por una servilleta), pero se comprobó que estructuras similares en ausencia de humedad también se adhieren eficazmente. Otra opción también descartada sería un posible mecanismo de activación muscular (para quien tenga curiosidad, ya se ha probado que una salamanquesa muerta también se queda pegada al techo de un laboratorio). Hay que subrayar que la adhesión de estos animales es muy eficiente. Se ha comprobado que, si estuvieran en contacto todas las nanocucharillas a la vez, se podrían colgar hasta 120 kilos . El mecanismo principal al que se atribuye la adhesión de sus extremidades son las fuerzas de Van der Vaals . Aunque son fuerzas muy débiles y sólo efectivas a distancias muy cortas (del orden de nanómetros, 10E-9 m), el tener billones de esas nanocucharillas en contacto con una superficie hace que este efecto se multiplique espectacularmente. La principal ventaja de la estructura de nanocucharillas de la salamanquesa es su adaptación a la microrugosidad de cualquier superficie (incluso el vidrio más liso está lleno de microvalles y micromontañas a escala microscópica), de forma análoga a las cerdas del cepillo de dientes que se adaptan a los recovecos de las muelas. A raíz de estas observaciones, el Instituto Max Planck decidió analizar la adhesión de distintos animales con capacidad de escalar, como moscas o arañas, concluyendo que a mayor masa del animal más nanoestructuras por unidad de área necesita. Evidentemente el campo de aplicación de este descubrimiento es amplísimo, aunque para ello hay que reproducir primero este efecto en un laboratorio y posteriormente en un producto comercial. Se han llegado a hacer nanopilares de plástico (polipropileno) aunque sólo un área muy pequeña (varios centímetros cuadrados). El problema de estos pilares es que enseguida se llenan de suciedad, por lo que es necesario que sean repelentes al agua y reusables. Se han hecho algunos experimentos con nanotubos de carbono y parece que se están consiguiendo prometedores avances. Posibles aplicaciones podrían surgir en campos desde la automoción (como el coche de la imagen, aunque es una miniatura en este caso) hasta la medicina, en el caso de pilares plásticos para cerrar incisiones en cirugía sin utilizar ningún pegamento. Las superficies autolimpiables o las adherentes son sólo ejemplos en los que la naturaleza ha inspirado dos nuevas tecnologías, aparentemente similares. Otras nuevas se han creado o están surgiendo adaptando soluciones que la naturaleza ha encontrado millones de años atrás, constituyendo una disciplina que se denomina bio-inspiración. Y a quien le interese este tema, y en particular las salamanquesas, un vídeo que muestra otra cualidad de estos animales también muy interesante para la robótica.

Comments

[Publicado por: Roberto G.]

Hola a todos, Siento el retraso en contestar, gracias por vuestro interés, Maria, muchas gracias, no sabía que también se llamaban perenquenes. No se me había ocurrido lo de las ventosas, pero es muy ingenioso. JGLV, es cierto que es curioso que dos comportamientos tan distintos deriven de estructuras en cierto modo similares. Respecto a las fuerzas de Van der Waals he estado buscando alguna pagina web donde lo expliquen de forma sencilla. Me ha gustado esta (http://www.super-tech.ro/teoretic.html) aunque está en inglés, en castellano no está mal la socorrida Wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerzas_de_Van_der_Waals). I.García-Valiño, siento si el post ha quedado un poco denso, gracias por tu opinión. Perplejo, tienes razón, el que ahora se hable de nanoestructuras no quiere decir que antes no existiera. Una vez más la naturaleza nos lleva ventaja, completamente cierto. Saynoz-Div, interesante, aquí habría que medir la tensión superficial del agua con la cantidad de jabón añadida y la de la nanoestructura a mojar. En cualquier caso, el jabón al disminuiría la tensión superficial de la gota de agua, mejorando el mojado. Jan L. Gracias! ; -) Y aprovecho a colgar un enlace que me ha llegado hoy sobre el efecto flor de loto, aunque el artículo al que se refiere es de octubre, http://www.newscientist.com/article/dn16126-nanotech-clothing-fabric-never-gets-wet.html Un saludo,

[Publicado por: Jan L.]

Roberto Guzman de Villora, he leido tu postit, y es muy interesante tanto lo de las hojas como lo de las salamanquesas. Continúa con tus trabajos e investigaciones. A ver si descubres alguna cosa de interés para la humanidad.

[Publicado por: Anónimo]

"Quien esto suscribe no es científico, sino psicólogo, y te anima a escribir todo lo que puedas sobre neurociencia, que se te da muy bien" Bueno, los piscólogos no saben mucho de ciencia en general ni de neurociencia, no me extraña que te parezca bien escrito

[Publicado por: I. García-Valiño]

Esto no es un blog de...., creo que lo que dices en el último párrafo tiene bastante sentido. He lamentado mcuho que haya fracasado el último proyecto de la NASA de lanzar al espacio un... artefacto para observar y analizar el cambio climático desde el otro lado de la atmósfera. Era una iniciativa muy importante. ¿Qué opina sobre esto Pere en su BLOG DE CIENCIA?

[Publicado por: Saynoz-Div]

Mee gustaría ver como no se me mancha la camisa con el café, pero también me gustaría saber si mojando la flor de loto con agua enjabonada,( para romper la tensión superficial de el agua), surgiría el mismo efecto. Si fuera este caso entonces se tendría que hacer un estudio para ver si el café rompe esa tensión.

[Publicado por: Esto es un blog de CIENCIA]

I.García-Valiño, Si la persona a la que te refieres era esceptica, seguramente se mostraria recelosa del origen antropogenico del cambio climatico, no del cambio climatico per se. Si niega lo segundo, esta negando una verdad empirica, a saber, que el clima cambia, con lo que mas que un esceptico, seria un Acu. La cuestion es medir la magnitud y las causas de cada cambio, que es algo notablemente abierto a debate teniendo en cuenta la complejidad del clima como fenomeno.

[Publicado por: Perplejo]

Interesante aportación la de este artículo. Nadie debe sorprenderse de que descubramos y encontremos aplicaciones en nuestra tecnología inspirándonos en los seres vivos que pululan por la naturaleza, pues eso ya viene de antiguo y es una tendencia en el mundo de la ciencia o de la tecnología denominada Biónica. Además la nanotecnología y las nanoestructuras fueron inventadas por la naturaleza con los seres vivos, pues la infinidad de dispositivos bioquímicos y biomoleculares que los sostienen se desenvuelven en el nivel de la milmillonésima de metro que es el de los dispositivos nanotecnológicos actuales.

[Publicado por: I.García-Valiño]

Pere, sigo con gran interés tu blog, cual holligan. Por desgracia, no se me ocurre ningún comentario interesante a este postit que te ha salido un tanto plúmbeo, a mi juicio, pero aprovecho que sólo hay 3 comentarios y con un poco de suerte me lees, para comentarte que he usado tu entrada "cambio climático, escépticos depende, deniers no" para argumentar sobre esto mismo en el foro de Círculo Escéptico, asociación a la que pertenezco, porque precisamente algún escéptico se mostró receloso del cambio climático y me pareció negacionismo. Pinché tu artículo y he aprovechado para recomendar tu blog a todos los escépticos que pululamos por la Red a riesgo de volvernos locos o desesperarnos, ante la avalancha de majaderías. Te invito de paso a entrar en nuestra web, basta con googlear Círculo Escéptico. No hemos inventado la pólvora, pero nos gusta hacer una labor de divulgación científica, así que de algún modo luchamos en el mismo bando. Quien esto suscribe no es científico, sino psicólogo, y te anima a escribir todo lo que puedas sobre neurociencia, que se te da muy bien, aunque no sea tu especialidad. Ya te hice algún comentario en el del libre albedrío, y lo que te rondaré, Morena. ,

[Publicado por: JGVL]

Nunca me hubiera imaginado que una salamanquesa y la flor de loto estuviera relacionado con nanoestructuras. Es apasionante que en pleno siglo XIX aún sigamos aprendiendo de la naturaleza y como sus modelos nos pueden ayudar en nuestra vida cotidiana. Solo una pregunta , Roberto, para los "torpes" en física ¿podrías explicarme, de forma sencilla, qué son las fuerzas de Van der Vaals?. Me ha gustado mucho tu artículo.

[Publicado por: María]

Está claro que la ciencia no sólo debe buscar donde no se ve, sino intentar aprender de lo que la naturaleza, por si misma, ya ha conseguido. Este artículo me ha parecido muy interesante, dado que explica de manera amena y comprensible, aspectos de la naturaleza que pueden ser adaptados y adoptados para nuestros problemas cotidianos. La salamanquesa o perenquén (como se le conoce en Canarias) es un animalito que siempre me ha fascinado por esa capacidad que tiene para "andar pegado a la pared". Siempre pensé que sus patitas eran como ventosas, pero ya veo que es un sistema mucho más complicado (nanocucharillas...alucinante). En cuanto a la capacidad de ciertas plantas para "rechazar" el agua, imagino la cantidad de detergente que nos ahorraríamos si nuestros tejidos lograran no impregnarse con tantos churretes. Eso si, me encantaría que todos estos avances fueran al mismo tiempo "ecológicos", como lo son sus referentes, porque de poco nos valdrían si para conseguir un tejido "inmanchable" tuviéramos que contaminar más que usando detergentes.´ Me gusta el término bio-inspiración. http://blogearporblogear.blogspot.com/