La seda que producen las arañas es s uno de los materiales más resistentes y flexibles que se conocen. Su dureza supera a las de fibras artificiales como el Nylon o el Kevlar, y es capaz de estirarse hasta un 40% sin deformarse volviendo a su forma original después.

Sin embargo, les ha salido un duro competidor: unas fibras que han sido producidas gracias a bacterias que fueron modificadas genéticamente en el laboratorio de Fuzhong Zhang, del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química en el Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en Saint Louis.

Fibras más fuertes y resistentes

El equipo de investigación modificó la secuencia de aminoácidos de las proteínas de la seda de araña para introducir nuevas propiedades, manteniendo algunas de las características atractivas de la seda de araña.

De esta manera, fibras más fuertes y resistentes que algunas sedas de araña naturales han sido obtenidas mediante protéinas híbridas de seda amiloide de diseño producidas en bacterias modificadas genéticamente.

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Se obtiene fibra más fuerte gracias a seda de araña con grafeno

Las proteínas de 128 repeticiones dieron como resultado una fibra con una fuerza gigapascal (una medida de cuánta fuerza se necesita para romper una fibra de diámetro fijo), que es más fuerte que el acero común. La tenacidad de las fibras (una medida de cuánta energía se necesita para romper una fibra) es más alta que la del Kevlar y todas las fibras de seda recombinantes anteriores. Su fuerza y dureza son incluso más altas que las de algunas fibras de seda de araña natural reportadas.

En aras de que las nuevas fibras puedan usarse en prótesis, robots, exoesqueletos e incluso en ropa, tres equipos de investigadores han desarrollado músculos artificiales que pueden levantar 1000 veces su propio peso.

Los músculos se han desarollado todos de acuerdo con un principio similar: que una sustancia enrollada puede estirarse como un músculo. La idea fue desarrollada por Ray Baughman y sus colegas de la Universidad de Texas, quienes advirtieron que retorcer incluso un material simple como hilo de coser o hilo de pescar puede crear una estructura similar a un músculo.

Superfuerza

Ahora, el equipo de Baughman ha desarrollado fibras más fuertes, utilizando materiales igualmente económicos. El bambú o la seda, por ejemplo, se enrollan en una bobina y se recubren con una vaina que puede responder al calor o a los cambios electroquímicos, lo que puede hacer que el músculo resultante se contraiga y se mueva.

El equipo espera que sus materiales se puedan usar en ropa inteligente que responda al clima. En un experimento, tejieron las fibras en un tejido que, como resultado, responde a la humedad volviéndose más poroso.

Jinkai Yuan en la Universidad de Burdeos y sus colegas crearon sus fibras con un polímero y grafeno, un material más resistente que el diamante. Mehmet Kanik, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, adoptó un enfoque diferente. Su equipo desarrolló un material que se enrolla espontáneamente, como los zarcillos de una planta de pepino. Probaron el músculo en un bíceps artificial en miniatura basado en un brazo humano, que levanta un peso cuando se aplica calor.

Con todo, aún queda mucho camino por recorrer en el terreno de la eficiencia: las fibras solo utilizan alrededor del 3 por ciento de la energía que se pone en los músculos artificiales, mientras que el resto se pierde en forma de calor.

Un nuevo estudio de la Institution of Mechanical Engineers sugiere que, cada vez que una prenda de ropa se lava hasta 700.000 fibras microscópicas llegan a los océanos.

De este modo, el 35 % de los mciroplásticos liberados en los océanos de todo el mundo proceden de textiles sintéticos.

Impacto ambiental

Para mitigar estos esfectos anteriormente mencionados, el estudio también recomienda lavar la ropa a una temperatura más baja, usar bolsas de malla para colar los hilos, usar secadoras con menos frecuencia o instalar filtros en las tuberías.

Además de la contaminación con microplásticos, lavar ropa también consume mucha energía y produjo 1.200 millones de toneladas de CO2 equivalente (CO2e) en 2015: más emisiones que los vuelos internacionales y el transporte marítimo combinados.

Según explica Aurelie Hulse, autor principal de Engineering Out Fashion Waste:

Tenemos que basarnos en las iniciativas existentes de la industria y, fundamentalmente, reconsiderar la forma en que se fabrica la ropa, hasta las fibras que se utilizan. Las prendas deben ser creadas para que no se deshagan en las costuras y puedan reciclarse después de que han sido usados durante muchos años. Las telas deben diseñarse para no arrojar microfibras cuando se lavan y la industria necesita ver cómo se pueden hacer las eficiencias en el proceso de corte, que actualmente arroja 60.000 millones m2 de material de corte desechado en las plantas de fábrica cada año.

Superando ya al acero e incluso a la seda de araña dragalina, investigadores suecos han logrado el biomaterial más fuerte de la historia: fibras de celulosa artificiales, los bloques de construcción esenciales de la madera y otras plantas.

Podría usarse como una alternativa ecológica para el plástico en aviones, automóviles, muebles y otros productos. También tiene potencial para la biomedicina, ya que la celulosa no es rechazada por su cuerpo.

Fibras de celulosa artificiales

Según Daniel Söderberg, del KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo, cuyo estudio de este nuevo biomaterial ha sido publicado en la revista ACS Nano de la American Chemical Society, las nanofibras de celulosa (CNF) han sido concebidas usando un nuevo método de producción: transfiriendo las propiedades mecánicas únicas de estas nanofibras a un material macroscópico y liviano.

Para lograrlo, el procedimiento (llamado enfoque hidrodinámico) consistió en tomar nanofibras de celulosa disponibles en el mercado que tienen solo 2 a 5 nanómetros de diámetro y hasta 700 nanómetros de largo. A continuación, se suspendieron en agua y se alimentaron en un pequeño canal, de solo un milímetro de ancho y fresado en acero.

A través de dos pares de flujos perpendiculares, agua adicional desionizada y agua con un bajo valor de pH ingresaron al canal desde los lados, comprimiendo la corriente de nanofibras y acelerándola. No se necesita cola ni ningún otro componente, las nanofibras se ensamblan formando un hilo. Las mediciones mostraron una rigidez a la tracción de 86 gigapascales (GPa) para el material y una resistencia a la tracción de 1,57 GPa. Según explica Söderberg:

Las fibras de nanocelulosa de origen biológico fabricadas aquí son 8 veces más rígidas y tienen resistencias más altas que las fibras de seda de araña dragalina natural. Si se está buscando un material con base biológica, no hay nada como eso. Y también es más resistente que el acero y cualquier otro metal o aleación, así como fibras de vidrio y la mayoría de otros materiales sintéticos.

Mejorada grafeno y nanotubos de carbono (hojas de grafeno enrolladas), se ha obtenido seda mucho más fuerte, presentando propiedades mecánicas mejoradas de hasta tres veces la resistencia y diez veces la dureza de las sedas no modificadas.

El grafeno, un material bidimensional integrado por átomos de carbono que se organizan en hexágonos, está llamado a ser uno de los materiales del futuro para obtener toda clase de maravillas.

Araña y grafeno

El hallazgo ha sido llevado a cabo por investigadores de Flagship Graphene, publicado en Materials 2D, una colaboración entre la Universidad de Trento, Italia, y el Centro de Grafeno en la Universidad de Cambridge, Reino Unido.

Para mejorar la seda de araña, se crearon soluciones de grafeno y nanotubos de carbono que fueron rociadas dentro del recinto donde estaban las arañas. Después de permitir que las arañas ingiriesen las dispersiones de grafeno de su entorno, la seda fue recogida para estudiar en laboratorio los resultados. Según explica Nicola Pugno, de la Universidad de Trento:

Los seres humanos han utilizado las sedas de gusano de seda ampliamente durante miles de años, pero recientemente la investigación se ha centrado en la seda de la araña, ya que tiene propiedades mecánicas prometedoras. Está entre las mejores fibras de polímero hilado en términos de resistencia a la tracción, en comparación con las fibras sintéticas como el Kevlar. Esta es la dureza de fibra más alta reportada hasta la fecha.

Los diarios comunes son impresos en un papel hecho de fibras de celulosa, que se obtiene de la pulpa de madera. Las fibras son generalmente largas, del orden de decenas de micrómetros de ancho y el papel resultante es bastante frágil (no resulta difícil romper una hoja.) Ahora, investigadores en Japón y Suecia desarrollaron un papel mucho más resistente, utilizando fibras de celulosa mucho menores. Este "nanopapel" tiene una resistencia a tensiones mayor que la del hierro fundido.

Marielle Henriksson del Instituto de Tecnología de Estocolmo, Suecia y sus colegas, usaron encimas y una técnica de golpes "gentiles" para producir fibras con un ancho del orden de decenas de nanómetro (mil millonésima parte de un metro) es decir casi mil veces menor que las fibras comunes. Las nanofibras fueron luego mezcladas con agua y filtradas a vacío para formar el papel. Los investigadores informan que el papel es más bien poroso, pero con una gran resistencia a rasgaduras; ellos sugieren que esa propiedad es debida a la gran cohesión que existe entre las fibras y su fortaleza individual. Según los investigadores, si en algún momento este papel fuera desarrollado comercialmente, tendría grandes aplicaciones en la construcción, como material de refuerzo, por ejemplo.

Más Información | New York Times (en Inglés)