Investigadores sintetizan un nuevo tipo de fibra de seda -y descubren que la música es excelente para afinar las propiedades del material.
El diagrama de la estructura molecular de una de las versiones de seda de araña producidas artificialmente muestra una que resultó formar fibras extremadamente unidas y fuertes. Una versión con estructura distinta no fue capaz de generar hebras largas. (Crédito: Markus Buehler/MIT)
Markus Buehler, del MIT, conjuntamente con David Kaplan, de Universidad de Tufts y Joyce Wong, de Universidad de Boston, han sintetizado nuevas variantes de la estructura natural de la seda y descubrieron un método para realizar mejoras adicionales en el material sintético.
Esta investigación surge de la colaboración de ingenieros ambientales y civiles, matemáticos, ingenieros biomédicos y compositores musicales. El resultado está publicado en la revista Nano Today.
“Estamos tratando de crear materiales de maneras diferentes”, explica Buehler, “iniciando desde los mismos bloques primarios de construcción” -en este caso, moléculas de proteína que forman la estructura de la seda. “Es algo muy difícil de lograr, las proteínas son muy complejas”.
Otros grupos han tratado de construir fibras basadas en proteína utilizando el método de prueba y error, indicó Buehler. Sin embargo, este equipo ha abordado el problema sistemáticamente, iniciando con modelado de computación de las estructuras subyacentes que dan a la seda esa combinación inusual de fuerza, flexibilidad y elasticidad.
Libra por libra, la seda de araña es uno de los materiales más fuertes conocidos: esta seda ha ayudado a explicar que esta fortaleza surge del arreglo jerárquico inusual de los bloques de proteína.
La investigación previa realizada por Buehler determinó que las fibras con una estructura particular -estructuras altamente ordenadas de capas de proteína alternadas con capas densamente enmarañadas de proteínas (ABABAB)- ayudan a proporcionar a la seda sus propiedades excepcionales. Para este primer intento de sintetizar un nuevo material, el equipo eligió buscar en patrones con estructuras de triplete (AAAB y BBBA).
Crear ese tipo de estructuras no es nada simple. Kaplan, ingeniero químico y biomédico, modificó genes que producen seda para producir estas nuevas secuencias de proteínas. A partir de allí, Wong, científico de materiales y bioingeniero, creo un dispositivo microfluídico que simuló el órgano de hilatura de la araña.
Aún después del detallado modelado de computadora, el resultado fue un poco sorprendente, dijo Buehler. Uno de los materiales nuevos produjo moléculas de proteína extremadamente fuertes -pero no se mantuvieron juntas como hebra. El otro material generó moléculas de proteínas más débiles que se adhirieron muy bien y formaron hebras. “Esto nos enseño que no es suficiente considerar las propiedades de la molécula de proteína por sí misma, aislada”, dijo. “En su lugar, se debe pensar en la manera como se combinan para formar una red bien conectada a gran escala”.
Los distintos niveles de la estructura de la seda, indicó Buehler, son análogos a los elementos jerárquicos que conforman una composición musical -incluyendo tono, rango, dinámica y tiempo. El equipo incluyó la ayuda de John McDonald, profesor de música en Tufts, y David Spivak, matemático especializado en teoría de categorías, del MIT. Juntos, utilizando herramientas analíticas derivadas de la teoría de categorías para describir las estructuras de proteínas, el equipo pudo traducir los detalles de la estructura de seda artificial en composiciones musicales.
Las diferencias resultaron completamente visibles. La proteína muy fuerte pero no usable se tradujo en música agresiva y dura, indicó Buehler, mientras que la otra, molécula de proteína formadora de hebras, resultó mucho más suave y fluida.
Buehler indicó que esperan llevar esta técnica un paso adelante mediante el uso de composiciones musicales para predecir lo bien que las variaciones del material pudieran resultar. “Buscamos métodos radicalmente nuevos para diseñar materiales”, dijo.
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