El quitón de botas de goma no es una criatura glamorosa. La almeja grande y dentada se arrastra a lo largo de las aguas de la costa del Pacífico, arrastrando su cuerpo de color marrón rojizo arriba y abajo de la orilla. A veces se le conoce, no sin razón, como «el pastel de carne errante». Pero el cuerpo modesto del quitón esconde una serie de dientes diminutos pero formidables. Estos dientes, que la criatura usa para raspar las algas de las rocas, se encuentran entre los materiales más duros de un organismo vivo.
Ahora, un equipo de científicos ha descubierto un ingrediente sorprendente en la dentición dura del quitón: un mineral raro a base de hierro que alguna vez se encontró solo en roca real. Diminutas partículas del mineral, que son fuertes pero ligeras, ayudan a endurecer la raíz de los dientes del molusco, informaron los investigadores en la revista PNAS el lunes.
El descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a diseñar nuevos tipos de materiales, según los científicos, quienes proporcionaron una prueba de principio al crear una nueva tinta inspirada en el quitón para impresoras 3-D.
Un quitón se alimenta pasando su lengua flexible en forma de cinta, conocida como rádula, a lo largo de rocas cubiertas de algas. Sus dientes ultrarrígidos están dispuestos en filas a lo largo de la suave rádula. Un tubo largo y hueco, conocido como estilete, une cada diente a la rádula.
Los científicos habían descubierto previamente que la parte superior de los dientes del quitón contenían un mineral de hierro llamado magnetita, pero sabían menos sobre la composición del estilete. «Sabíamos que había hierro en la parte superior del diente», dijo Linus Stegbauer, científico de materiales de la Universidad de Stuttgart, Alemania, y primer autor del artículo. «Pero en la estructura de la raíz, no teníamos idea de lo que estaba pasando allí».
En el nuevo estudio, los investigadores analizaron los dientes de quitón utilizando una variedad de técnicas de imágenes avanzadas, incluidos varios tipos de espectroscopía, que permiten a los científicos aprender sobre las propiedades físicas y químicas de un material al observar cómo interactúa con la luz y otros tipos de luz. Radiación electromagnética .
Descubrieron que la pluma contenía pequeñas partículas de algún tipo de mineral a base de hierro suspendidas en una matriz más blanda. (La matriz está hecha de quitina, el compuesto que forma los exoesqueletos de insectos y crustáceos).
Tras un análisis más detallado, se sorprendieron al descubrir que las partículas minerales eran santabarbaraita, un mineral que nunca antes se había observado en seres vivos. “Fue una serie de sorpresas y siguieron rodando”, dijo Derk Joester, autor principal y científico de materiales de la Universidad Northwestern.
La santabarbaraita es un mineral duro, pero contiene menos hierro y más agua que la magnetita, lo que la hace menos densa. El mineral puede permitir que el quitón forme dientes fuertes y ligeros, al tiempo que reduce su dependencia del hierro. «El hierro es fisiológicamente un material raro», dijo el Dr. Joester.
Los investigadores también encontraron que las partículas de santabarbaraita no estaban distribuidas uniformemente por todo el estilete. En cambio, se concentraron en la parte superior, más cerca de la superficie del diente, y se volvieron más escasos en la parte inferior, donde el estilete se conectaba a la rádula blanda. Este patrón de distribución creó un degradado, haciendo que el lápiz sea más rígido y más duro en la parte superior y más flexible en la parte inferior.
«El organismo tiene un enorme control espacial sobre a dónde va el mineral», dijo Joester. “Y eso es realmente, creo, lo que nos hizo pensar en cómo se puede utilizar para crear materiales. Si el organismo puede estandarizar esto, ¿podemos hacer lo mismo? «
Los investigadores decidieron intentar crear una nueva «tinta» para una impresora 3D inspirada en el diente de quitonio. Comenzaron con un compuesto similar a la quitina y luego agregaron dos líquidos: uno que contenía hierro y otro que contenía fosfato. La mezcla de ingredientes produjo una pasta espesa salpicada de pequeñas partículas de un mineral similar a la santabarbaraita. “Y luego está listo para imprimirse; simplemente puede transferirlo a su impresora 3-D”, dijo el Dr. Stegbauer.
La pintura se endureció a medida que se secaba, pero sus propiedades físicas finales dependían de la cantidad de hierro y fosfato añadidos a la mezcla. Cuanto más se agregaba, más nanopartículas se formaban y más y más duro se volvía el material final. Al modificar la receta de esta manera, los investigadores pudieron crear objetos que eran tan flexibles y elásticos como un calamar o tan rígidos y duros como un hueso.
“Debería ser posible mezclar la tinta a una velocidad que se pueda cambiar inmediatamente antes de imprimir”, dijo el Dr. Joester. “Y eso te permitiría cambiar la composición, la cantidad de nanopartículas y por lo tanto la resistencia del material en tiempo real. Lo que significa que puede imprimir materiales donde la resistencia cambia drásticamente en distancias relativamente cortas. «
La técnica podría ser útil en el creciente campo de la robótica liviana, permitiendo a los ingenieros crear máquinas que son duras y rígidas en algunos lugares y suaves y flexibles en otros, dijo el Dr. Joester: “Creo que sería increíble si pudieras imprimir todas de estos gradientes en la estructura. «