El primer vuelo de una mariposa inspira una nueva forma de producir fuerza y electricidad.

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por la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur

Las alas de una mariposa están hechas de quitina, un polímero orgánico que es el componente principal de las conchas de los artrópodos como los crustáceos y otros insectos. A medida que una mariposa emerge de su capullo en la etapa final de la metamorfosis, desplegará lentamente sus alas en todo su esplendor.

Durante el despliegue, el material quitinoso se deshidrata mientras la sangre circula por 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 de agua y organización molecular es la inspiración detrás de la investigación del profesor asociado Javier G. Fernández.

Junto con otros investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), Fernández ha estado explorando el uso de polímeros quitinosos como material sostenible para aplicaciones de ingeniería.

En su último estudio, 'Reorientación secundaria y fuerzas higroscópicas en biopolímeros quitinosos y su uso en activación pasiva y bioquímica', publicado en Advanced Materials Technologies, el equipo de investigación arrojó luz sobre la adaptabilidad y cambios moleculares de los materiales quitinosos en respuesta a cambios ambientales.

Investigadores de SUTD descubren el prometedor potencial de la quitina como un biomaterial inteligente sostenible. A través del intercambio de agua con el entorno, las películas quitinosas sensibles a la humedad pueden generar energía mecánica y eléctrica para su posible uso en aplicaciones de ingeniería y biomédicas. Crédito: SUTD

'Hemos demostrado que incluso después de ser extraídos de fuentes naturales, los polímeros quitinosos retienen 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 energía externa o un sistema de control', dijo Fernández, destacando las características únicas que hacen de los polímeros quitinosos 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 de manera rápida y sostenible de múltiples organismos, e incluso el mismo equipo de investigación de SUTD ha demostrado que se puede obtener incluso de residuos urbanos.

En el estudio actual, los investigadores extrajeron polímeros quitinosos de caparazones de camarones desechados para crear películas de aproximadamente 130.5 micrómetros de grosor. Investigaron los efectos de las fuerzas externas en estas películas quitinosas, centrándose en los cambios en la organización molecular, el contenido de agua y las propiedades mecánicas. Los investigadores observaron que, al igual que las alas desplegadas de las mariposas, estirar las películas quitinosas reorganizaba la estructura cristalina: las moléculas se volvían más compactas y el contenido de agua disminuía.

Originalmente con características similares a los plásticos de uso general, las películas quitinosas se transformaron en un material similar a los plásticos para aplicaciones de ingeniería de alta gama y especializadas. A diferencia de la naturaleza inerte de los polímeros sintéticos, las películas quitinosas reorganizadas podían relajarse y contraerse de manera autónoma en respuesta a cambios ambientales, al igual que algunos insectos adaptan su caparazón a diferentes situaciones. Esta capacidad permite que las películas quitinosas levanten objetos de más de 4.5 kilogramos verticalmente.

Para demostrar la aplicabilidad ingenieril de las películas biocompatibles, el equipo de investigación las ensambló en una mano mecánica. Controlando el agua intermolecular de las películas a través de cambios ambientales y procesos bioquímicos, el equipo creó suficiente fuerza para que la mano muestre un movimiento de agarre. Impresionantemente, la fuerza de agarre equivalía a 18 kilogramos, más de la mitad de la fuerza de agarre promedio de un adulto.

La capacidad de producir tal fuerza mediante medios bioquímicos también sugiere la integración potencialmente perfecta de las películas quitinosas en sistemas biológicos y su idoneidad para aplicaciones biomédicas, como los músculos artificiales y los implantes médicos.

En una demostración diferente, el equipo mostró que la respuesta del material a los cambios de humedad se podía utilizar para aprovechar la 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 dispositivos electrónicos pequeños.

Fernandez's proof-of-concept study illustrates how both the native mechanical characteristics and embedded functionalities of chitin can be reproduced, emphasizing the potential use of chitin in engineering and biomedical applications. He opines that materials like chitin play a vital role in the transition to a more sustainable paradigm, which he terms as the biomaterial age.

'Chitin is used for many complex functions in nature, from making the wings of insects to forming the hard protective shells of mollusks, and has direct engineering application. Our ability to understand and use chitin in its native form is critical to enable new engineering applications and develop them within a paradigm of ecological integration and low energy,' concluded Fernandez.

Journal information: Advanced Materials Technologies

Provided by Singapore University of Technology and Design