El secreto de una concha de molusco que es resistente a grietas y además transparente

La concha de una criatura marina, el molusco Placuna placenta, no sólo es excepcionalmente dura, sino también lo bastante transparente como para leer a través de ella. Ahora, unos investigadores han analizado estas singulares conchas para determinar exactamente por qué son tan resistentes a la perforación y a otros daños, a pesar de estar compuestas en un 99 por ciento de calcita, un mineral débil y quebradizo.

Las singulares propiedades de estas conchas son el resultado de una nanoestructura especializada que brinda transparencia óptica, así como una disipación eficiente de energía y una gran capacidad para lidiar con la deformación. Así lo ha constatado el equipo de Ling Li y Christine Ortiz, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Estados Unidos.

Ortiz cuenta con una dilatada trayectoria analizando las complejas estructuras y propiedades de materiales biológicos como posibles modelos para análogos sintéticos que puedan ser incluso mejores que los originales biológicos.

Para determinar cómo exactamente se comportan estas conchas (que combinan la calcita con cerca de un 1 por ciento de material orgánico) ante las fuerzas que tienden a henderlas, los investigadores sometieron muestras a pruebas de resistencia ante intentos de provocar hendiduras, cada vez más enérgicos, mediante una afilada punta hecha de diamante en un aparato que mide con precisión las cargas soportadas por la muestra que se analiza. El equipo de investigación usó métodos de análisis de alta resolución para examinar los daños resultantes y las circunstancias en las que se produjeron.

Fotografía, obtenida mediante un microscopio electrónico de barrido, en la que se aprecia el patrón circular y muy localizado del daño estructural inducido en un experimento. Gracias a patrón patrón, el daño se mantiene aislado y no se produce ninguna propagación desastrosa de grietas.

El material inicialmente aísla los daños mediante un proceso a escala atómica dentro de las unidades básicas, o bloques de construcción, de la estructura cerámica, que, en esencia forma una especie de frontera que aísla la zona sometida a la tensión estructural dañina. Esta frontera, impuesta por un patrón especial de grietas, actúa, por así decirlo, a modo de cortafuegos, impidiendo la propagación catastrófica de una grieta.

Los investigadores del MIT encontraron que ese proceso de "cortafuegos" activa además una serie de mecanismos adicionales de disipación de energía, que ayudan a repartir carga, contribuyendo así a conservar la integridad mecánica y óptica del material alrededor de la zona más afectada. Esto produce un material que es 10 veces más eficiente para disipar energía que el mineral por sí solo en su estado natural puro, sin la estructuración biológica.

Las propiedades de esta armadura natural la hacen un ejemplo prometedor al que emular, y quizá incluso superar, mediante el desarrollo de materiales sintéticos biológicamente inspirados, para aplicaciones que van desde la protección ocular o de todo el rostro en policías, soldados, u otros profesionales que afrontan riesgos parecidos, así como para ventanas en edificios y parabrisas en vehículos.


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Limpieza revolucionaria de mareas negras

Limpiar derrames de petróleo y metales contaminantes sin que el tratamiento de limpieza tenga efectos tóxicos sobre la vida marina, que además sea un método sostenible, y que resulte barato, es un reto que ha venido resultando insuperable para empresas y gobiernos en todo el mundo.

Sin embargo, puede que muy pronto esta situación cambie. Un grupo de investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison en Estados Unidos trabaja en el desarrollo de materiales alternativos a los convencionales, y más ecológicos, para limpiar mareas negras y otros vertidos.

La meta es encontrar materiales baratos que puedan ser modificados de forma también rentable, para permitirles absorber petróleo y otras sustancias químicas sin absorber agua. Ya se han logrado algunos muy buenos. Si esta línea de investigación y desarrollo prospera como se espera, y, en principio, no hay motivo para suponer que no será así, esta nueva y revolucionaria tecnología podría ofrecer una vía mucho más barata y sostenible para absorber petróleo y algunas otras sustancias del agua y sobre otras superficies.

Los aerogeles, que son materiales muy porosos y los sólidos más livianos que existen, ya se usan para diversas aplicaciones, que van desde funciones aislantes hasta su uso como espesantes para pinturas, pasando por su utilización en algunos componentes empleados en el sector aeroespacial.

El aerogel preparado por el equipo de la ingeniera biomédica Shaoqin "Sarah" Gong está hecho con nanofibrillas de celulosa (material sostenible proveniente de la madera) y un polímero respetuoso con el medio ambiente. Además, estos aerogeles basados en la celulosa se elaboran mediante un proceso que también es respetuoso con el medio ambiente.

El nuevo material que ya ha sido probado tiene una elevadísima capacidad para absorber disolventes orgánicos, cerca de 100 veces su propio peso. También tiene una buena capacidad de absorción de iones metálicos.

El aerogel preparado por el equipo de la ingeniera biomédica Shaoqin "Sarah" Gong está hecho con nanofibrillas de celulosa (material sostenible proveniente de la madera) y un polímero respetuoso con el medio ambiente. Además, estos aerogeles basados en la celulosa se elaboran mediante un proceso que también es respetuoso con el medio ambiente.

El nuevo material que ya ha sido probado tiene una elevadísima capacidad para absorber disolventes orgánicos, cerca de 100 veces su propio peso. También tiene una buena capacidad de absorción de iones metálicos.


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Mejores baterías eléctricas gracias a usar ciertos materiales desordenados

Se ha descubierto que, contrariamente a lo que se suponía, los cátodos hechos de compuestos desordenados o amorfos de litio pueden funcionar mejor que compuestos perfectamente ordenados o cristalinos.

Las baterías de litio, con su excepcional capacidad de almacenar energía, han sido centro de atención de iniciativas de investigación encaminadas a diseñar pilas de esa clase para su uso en todo tipo de aparatos, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta automóviles eléctricos.

Ahora, unos investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Nueva York, y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, ambas entidades en Estados Unidos, han encontrado una nueva vía para esa clase de investigaciones: el uso de materiales amorfos, que por regla general habían sido considerados inadecuados para las pilas.

En una batería recargable, a base de iones de litio (átomos que han perdido un electrón), los mismos son retirados del cátodo de la batería durante el proceso de carga, y devueltos durante la descarga.

Pero estos ciclos de carga y descarga pueden provocar que el material de los electrodos se contraiga y se expanda, lo que con el tiempo produce grietas en los electrodos, con la consiguiente pérdida de rendimiento.

Material convencional para cátodos (arriba) y el nuevo material amorfo estudiado por investigadores del MIT (abajo), tal como se ven a través de un microscopio electrónico. Las imágenes en los recuadros muestran diagramas de las diferentes estructuras en estos materiales. En el material amorfo, las líneas azules muestran las vías que permiten que los iones de litio puedan atravesar el material.

En las baterías de litio de hoy en día, esos cátodos suelen estar hechos de un material cristalino, ordenado a veces en una estructura de capas. Cuando la estructura de un material es cristalina, sus átomos o moléculas están regularmente distribuidos en el espacio, ya sea formando cubos, hexágonos, etcétera. Cuando decae la regularidad de la estructura cristalina, generalmente también decae la eficiencia de la batería.

Por eso, los materiales amorfos, en su mayoría, han sido tradicionalmente descartados en los diseños de las baterías de litio.

Pero resulta que esta correlación está lejos de ser universal: El equipo de Jinhyuk Lee, Gerbrand Ceder, Alexander Urban, Xin Li, Geoffroy Hautier y Dong Su, valiéndose de simulaciones por ordenador y de experimentos de laboratorio, ha descubierto que cierto tipo de irregularidad o desorden puede mejorar significativamente el rendimiento de un cátodo. Y estos científicos ya han dado con un material de tales características, el cual, en palabras de Ceder, puede liberar y luego reabsorber los iones de litio como una especie de "esponja reversible".

El nuevo material, un compuesto de litio, oxígeno, cromo y molibdeno, tiene una muy alta estabilidad dimensional.

En muchos materiales para cátodo, los cambios dimensionales pueden alcanzar valores tan altos como de entre el 5 y el 10 por ciento. Como señalamos más arriba, esta alternancia de dilatación y contracción causa todo tipo de problemas, incluyendo la aparición de grietas, que acaban dejando inservible al cátodo.

Muy distinto es el caso del nuevo material: Los cambios dimensionales en él son de tan solo un 0,1 por ciento, una diferencia abismal a efectos prácticos.


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Desarrollan células de silicio capaces de captar la radiación infrarroja del sol

Un equipo de investigadores de la Universitat Politècnica de València, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), la Universitat Politècnica de Catalunya-BarcelonaTech (UPC) y la Universidad Rovira i Virgili de Tarragona,en España, ha creado una célula fotovoltaica de silicio capaz de transformar en electricidad la radiación infrarroja. 

El trabajo aparece publicado esta semana en la revista Nature Communications; ha sido liderado por el profesor de investigación del CSIC, Francisco Meseguer, que actualmente trabaja en el Centro de Tecnologías Físicas de la UPV-Unidad Asociada del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.

El Sol es una fuente inagotable de energía que de ser bien explotada podría solucionar muchos de los problemas energéticos actuales. El dispositivo capaz de realizar la conversión de luz solar en electricidad es la célula fotovoltaica, comúnmente conocida como célula solar. Pero existen diversos obstáculos que impiden una mayor generalización de su uso, entre ellos un coste relativamente alto (del orden de 20 céntimos de euro por vatio producido) y una eficiencia baja, por debajo del 17 por ciento. Esto quiere decir que de cada vatio que recibimos del sol, sólo aprovechamos una pequeña parte, los 0,17 vatios que corresponden al espectro visible.

El motivo de la baja eficiencia de las células fotovoltaicas convencionales reside en que los materiales básicos para su fabricación, como el silicio, son baratos de producir, pero sólo pueden absorber y aprovechar una pequeña parte del espectro solar. El resto de la radiación solar, que corresponde a la zona infrarroja, no es aprovechada y se pierde.

El profesor de investigación del CSIC, Francisco Meseguer, explica que “nuestro equipo de investigación, después de tres años de trabajo,  ha desarrollado un nuevo concepto de célula solar de silicio capaz también de captar y transformar en electricidad la radiación infrarroja del sol”. El investigador  del CSIC y de la Universitat Politècnica de Catalunya, Moisés Garín, añade que “lo que hemos hecho ha sido crear células fotovoltaicas sobre microcavidades esféricas de silicio donde la luz infrarroja queda atrapada dando vueltas en su interior hasta que es transformada en electricidad”. 

Este trabajo supone un nuevo enfoque científico para poder desarrollar en el futuro células fotovoltaicas  de alto rendimiento.


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Cartílago semiartificial para trasplantes en articulaciones

El cartílago articular es el tejido ubicado en los extremos de los huesos donde estos se unen a las articulaciones del cuerpo, entre las que figuran por ejemplo rodillas, hombros y caderas. Este tejido puede erosionarse con el paso del tiempo, o ser dañado por lesiones o por un uso excesivo, causando dolor y dificultades para moverse. Reemplazar el tejido dañado por otro igual pero en buen estado podría traer alivio a millones de personas, pero lograr un reemplazo que posea las mismas cualidades que el tejido original es más difícil de lo que pueda parecer.

En el año 2007, el equipo de Farshid Guilak, profesor de cirugía ortopédica e ingeniería biomédica en la Universidad Duke, en Durham, Carolina del Norte, Estados Unidos, desarrolló un "andamio" tridimensional en el que las células madre pueden ser inyectadas y crecer formando tejido de cartílago. Construida de fibras minúsculas entrelazadas, cada una de las siete capas del andamio es tan fina como el grosor de un cabello humano. El dispositivo completo mide aproximadamente 1 milímetro de espesor.

Desde entonces, el reto ha sido el desarrollo de un medio adecuado para llenar los espacios vacíos del andamio, uno que pueda soportar la compresión, proporcionar una superficie lubricante y apoyar el crecimiento de células madre en el andamio. Algunos materiales, lo bastante flexibles para igualar en esa cualidad al cartílago, resultaron demasiado blandos y frágiles para soportar la carga. Otros, más fuertes, no resultaron ser lo suficientemente blandos y flexibles.

En este punto del trabajo de Investigación y desarrollo, se sumó al proyecto Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, quien propuso el uso de hidrogeles (geles de polímero a base de agua) duraderos.

El hidrogel escogido para el cartílago semiartificial es extremadamente resistente, flexible, modelable y lubricante. Tiene todas las propiedades mecánicas del cartílago nativo y puede soportar sin fracturarse los efectos comúnmente asociados al desgaste paulatino.

Zhao y Guilak comenzaron a trabajar juntos para integrar el hidrogel en el tejido del andamio.

En sus experimentos, los investigadores compararon el material compuesto resultante con otras combinaciones del andamio de Guilak con hidrogeles previamente estudiados.Las pruebas han demostrado que el invento de Zhao es el más resistente y el que tiene un coeficiente más bajo de fricción.

El siguiente paso del equipo será con toda probabilidad implantar pequeñas porciones de cartílago semiartificial en modelos animales y ver si los resultados son tan buenos como prometen ser.


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Crean una lámina fotovoltaica de perovskita transparente y barata

Un equipo de científicos dirigido por el investigador Hendrik Bolink del Institut de Ciència Molecular (ICMol) del Parc Científic de la Universitat de València (España) ha creado un dispositivo fotovoltaico delgado, similar a una lámina, de muy bajo coste y una alta eficiencia.

Los resultados de este trabajo, realizado en colaboración con investigadores del École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza, se publicaron en la revista Nature Photonics.

La célula solar desarrollada por los investigadores del ICMol está formada por una capa de perovskita, un material híbrido orgánico-inorgánico de fácil síntesis y bajo coste, colocada entre dos capas ultra finas de semiconductores orgánicos, con un grosor total de menos de media micra (millonésima parte de un metro).

Hendrik Bolink explica que para su preparación “se han utilizado procesos de baja temperatura similar a los usados en la imprenta, lo que permite fabricar estos dispositivos sobre láminas de cristal o folios de plástico para que sean flexibles”.

Además, “existe la posibilidad de hacer los dispositivos de apariencia semitransparente, una característica muy útil para el aprovechamiento solar desde los edificios, ya que, también por su poco espesor y bajo peso, se podrían colocar en las ventanas y, al mismo tiempo que frenaran la entrada de rayos solares, generarían electricidad”, agrega el investigador, quien apunta que empresas de la construcción ya han mostrado su interés.

Las células fotovoltaicas que convierten la luz solar directamente en electricidad usan en la mayor parte de los casos –alrededor del 85%– silicio cristalino como material activo, un producto muy caro, mientras que el resto está basado en capas delgadas de teluro de cadmio y sulfuro de cadmio, más económicas de producir, pero basadas en materias primas muy escasas y contaminantes por incluir cadmio.

Por este motivo, “la demostración de altas eficiencias en células solares de capa delgada usando materiales muy abundantes y baratos, como los que constituyen las perovskitas, abre la puerta para aumentar el porcentaje de energía solar en la mezcla de fuentes renovables”, según Bolink.


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Arsénico para evitar la corrosión de los coches del futuro

Un estudio internacional, en el que han participado investigadores del CSIC (España), ha descubierto que la aleación de magnesio con pequeñas cantidades de arsénico disminuye y ralentiza el proceso de corrosión del material. Los resultados del trabajo, publicado en la revista Electrochemistry Communications, podrían tener aplicaciones en la industria automovilística y en electrónica.

Durante el estudio, los investigadores probaron más de 400 combinaciones de elementos aleantes diferentes para tratar de encontrar la manera de reducir la susceptibilidad del magnesio a la corrosión.

“El magnesio es el elemento estructural metálico más ligero que se conoce, es aproximadamente un 40% más ligero que el aluminio, por lo que su potencial en la industria es inmenso. Sin embargo, en la actualidad, su uso se ve muy limitado por su elevada velocidad de corrosión. En este estudio hemos visto que pequeñas cantidades de arsénico tienen un fuerte impacto en la reacción catódica, ralentizándola o ‘envenenándola’, a niveles nunca antes alcanzados mediante otros aleantes”, explica el investigador del CSIC Alejandro Samaniego, del Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas.

Según sus autores, los resultados de este trabajo podrían aplicarse en la industria automovilística y electrónica, ya que la nueva aleación serviría para aligerar el peso de los componentes, aumentando su eficiencia energética al disminuir el consumo de combustible, lo que reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero.


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