La quitina, polímero orgánico del que están compuestas las alas de las mariposas, mostró una prometedora capacidad como nueva vía para producir fuerza y electricidad.

A través del intercambio de agua con el medio ambiente, las películas quitinosas sensibles a la humedad pueden generar energía mecánica y eléctrica para uso potencial en aplicaciones biomédicas y de ingeniería, según descubrieron científicos de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD, por sus siglas en inglés).

Las alas de una mariposa están hechas de quitina, polímero orgánico, componente principal de las conchas de artrópodos como crustáceos y otros insectos. Cuando un lepidóptero 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 de Javier G. Fernández.

Junto con otros investigadores de la SUTD, Fernández ha explorado el uso de polímeros quitinosos como material sostenible para aplicaciones de ingeniería.

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.

Más propiedades

“Hemos demostrado que incluso después de ser extraídos de fuentes naturales, los polímeros 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”, explicó Fernández. Destacó las características únicas que hacen que los polímeros quitinosos sean materiales inteligentes energéticamente eficientes y biocompatibles.

La quitina es el segundo polímero 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 conseguir incluso de los desechos urbanos.

En el estudio actual, los investigadores los extrajeron de caparazones de camarones desechados para crear películas de unos 130.5 micrómetros de espesor.

Estudiaron los efectos de las fuerzas externas en estas películas de quitina, centrándose en los cambios en la organización molecular, el contenido de agua y las propiedades mecánicas. Los expertos observaron que, de manera similar al despliegue de las alas de las mariposas, el estiramiento de esas cintas reorganizó la estructura cristalina: las moléculas se empaquetaron más estrechamente y el contenido de agua disminuyó.

Originalmente, con características similares a los plásticos comerciales, esas películas se transformaron en un material que se asemeja a los plásticos para fines de ingeniería especializados y de alta gama. A diferencia de la naturaleza inerte de los polímeros sintéticos, las películas de quitina reorganizadas podrían relajarse y contraerse de forma autónoma en respuesta a los cambios ambientales, de manera similar a cómo algunos insectos adaptan su caparazón a diferentes situaciones. Esta capacidad permite que las películas quitinosas levanten objetos de 4.5 kilogramos verticalmente.

Para demostrar la aplicabilidad de ingeniería de las películas biocompatibles, el equipo las ensambló con una mano mecánica. Al controlar el agua intermolecular de las cintas a través de cambios ambientales y procesos bioquímicos, creó suficiente fuerza con el fin de que la mano mostrara un movimiento de agarre.

De manera sorprendente, la fuerza de agarre fue equivalente a 18 kilogramos, más de la mitad de la fuerza de de ese tipo promedio de un adulto.

La capacidad de producir tal fuerza a través de medios bioquímicos también sugiere la posible integración perfecta de películas quitinosas en sistemas biológicos y su idoneidad para aplicaciones biomédicas, como músculos artificiales e implantes médicos.

También mostró que la respuesta del material a los cambios de humedad podría usarse para recolectar energía de los cambios ambientales y convertirla en electricidad.

Fuente: EP