La quitina, un polimero orgánico de la que están compuestas las alas de las mariposas, ha demostrado 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 han descubierto científicos de la SUTD (Singapore University of Technology and Design).
Las alas de una mariposa están hechas de quitina, un polímero orgánico que es el componente principal de las conchas de artrópodos como crustáceos y otros insectos. Cuando una mariposa 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 del Profesor Asociado Javier G. Fernández.
Junto con otros investigadores de la SUTD, Fernández ha estado explorando el uso de polímeros quitinosos como material sostenible para aplicaciones de ingeniería.
Producir electricidad sin una fuente de alimentación externa
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.
"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", dijo Fernández, destacando 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 obtener incluso de los desechos urbanos.
En el estudio actual, los investigadores extrajeron polímeros quitinosos de caparazones de camarones desechados para crear películas de aproximadamente 130,5 micrómetros de espesor. Investigaron 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 investigadores observaron que, de manera similar al despliegue de las alas de las mariposas, el estiramiento de las películas quitinosas reorganizó la estructura cristalina: las moléculas se empaquetaron más estrechamente y el contenido de agua disminuyó.
Originalmente con características similares a los plásticos comerciales, las películas quitinosas 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 forma similar a cómo algunos insectos adaptan su caparazón a diferentes situaciones. Esta capacidad permite que las películas quitinosas levanten objetos que pesen más de 4,5 kilogramos verticalmente.
The butterfly’s first flight inspires a new way to produce force and electricity https://t.co/roWzDOLlQs #bioinspired #science #materials #Sustainability
— Javier G. Fernandez (@JGFermart) July 25, 2023
Aplicaciones biomédicas y de ingeniería
Para demostrar la aplicabilidad de ingeniería de las películas biocompatibles, el equipo de investigación las ensambló con una mano mecánica. Al controlar el agua intermolecular de las películas a través de cambios ambientales y procesos bioquímicos, el equipo creó suficiente fuerza para que la mano mostrara un movimiento de agarre. Sorprendentemente, la fuerza de agarre fue equivalente a 18 kilogramos, más de la mitad de la fuerza de agarre 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.
En una demostración diferente, el equipo mostró que la respuesta del material a los cambios de humedad podría usarse para recolectar energía de los cambios ambientales y convertirla en electricidad. Al unir las películas a un material piezoeléctrico, el movimiento mecánico de las películas en respuesta a los cambios de humedad se convirtió en corrientes eléctricas adecuadas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
El estudio de prueba de concepto de Fernández ilustra cómo se pueden reproducir tanto las características mecánicas nativas como las funcionalidades integradas de la quitina, lo que enfatiza el uso potencial de la quitina en aplicaciones biomédicas y de ingeniería. Él opina que los materiales como la quitina juegan un papel vital en la transición a un paradigma más sostenible, que él denomina como la era de los biomateriales.
"La quitina se usa para muchas funciones complejas en la naturaleza, desde hacer las alas de los insectos hasta formar las duras conchas protectoras de los moluscos, y tiene una aplicación de ingeniería directa. Nuestra capacidad para comprender y usar la quitina en su forma nativa es fundamental para permitir nuevas aplicaciones de ingeniería y desarrollarlos dentro de un paradigma de integración ecológica y baja energía", concluyó Fernández.
