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Científicos arrojan luz sobre las formas en la naturaleza

10 diciembre, 2015

Investigadores han desarrollado un nuevo método para generar formas complejas y han encontrado que la creación de formas en la naturaleza puede ser impulsada por propiedades físicas de los materiales, en contraste con hallazgos anteriores. Los resultados, publicados en ‘Nature’, podrían permitir la construcción de estructuras complejas a partir de componentes simples, con potenciales aplicaciones en productos farmacéuticos, pinturas, cosméticos y productos para el hogar y la familia, como el champú

Naturaleza

Con gotitas esencialmente de aceite en una solución de agua jabonosa que se congela lentamente, los científicos encontraron que fases recientemente descubiertas de “cristal de plástico” formadas en las superficies interiores de las gotas hacen que cambien en una amplia variedad de formas, desde octaedros y hexágonos a triángulos y fibras. Los esfuerzos previos para crear estas formas y estructuras complejas han utilizado métodos de procesamiento de arriba hacia abajo, permitiendo un alto grado de control, pero no son eficientes en términos de la cantidad de material utilizado o del costoso equipo necesario para hacer las formas. El nuevo método, creado por expertos de la Universidad de Cambridge, en Reino Unido, y la Universidad de Sofía en Bulgaria, utiliza un enfoque ascendente eficiente y simple para crear formas complejas.

“Hay muchas maneras de que las cosas no biológicas tomen forma –dice Stoyan Smoukov, del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge, quien dirigió la investigación–. Pero la pregunta es qué impulsa el proceso y cómo controlarlo, así como cuáles son los vínculos entre el proceso biológico y el mundo no biológico”. La investigación de Smoukov propone una posible respuesta a la pregunta de qué impulsa este proceso, llamado morfogénesis. En los animales, la morfogénesis controla la distribución de las células durante el desarrollo embrionario y también se puede ver en animales maduros, como en un tumor en crecimiento.

Hoja Naturaleza FormasEn la década de 1950, el matemático Alan Turing propuso que la morfogénesis es impulsada por reacción-difusión, en la que las reacciones químicas locales causan una sustancia que se extiende por un espacio. La investigación más reciente, del grupo de Smoukov y otros, propone que se trata de propiedades físicas de los materiales que controlan el proceso, una posibilidad que había sido anticipada por Turing, pero que era imposible determinar con el uso de los ordenadores de la época.

Lo que esta investigación más reciente ha encontrado es que congelando lentamente gotas de aceite en una solución jabonosa, las gotas cambian de forma pasando por una variedad de diferentes formas y pueden volver de nuevo a su forma original si se vuelve a calentar la solución. Además vieron que este proceso es impulsado por el autoensamblaje de una fase de cristal de plástico que se crea debajo de la superficie de las gotitas.

“Los cristales de plástico son un estado especial de la materia que es como el alter ego de los cristales líquidos utilizados en muchas pantallas de televisión”, detalla Smoukov. Tanto los cristales líquidos como los cristales de plástico pueden ser considerados como etapas de transición entre líquido y sólido.

Los cristales líquidos apuntan sus moléculas en direcciones definidas como un cristal, tienen órdenes de poco alcance y fluyen como un líquido. Los cristales de plástico son como expansibles con largo alcance en su disposición molecular, pero irregulares en la orientación de cada molécula. La irregularidad de la orientación hace que los cristales de plástico sean altamente deformables y a medida que cambian de forma, las gotitas también modifican su forma con ellos. “Esta fase de cristal de plástico parece ser lo que está causando que las gotas cambien la forma o rompan su simetría -señala Smoukov–. Y con el fin de entender la morfogénesis, es vital que entendamos qué provoca la ruptura de la simetría.

CosméticosLos expertos encontraron que al alterar el tamaño de las gotas con las que empezaron o la tasa a la que se redujo la temperatura de la solución jabonosa fueron capaces de controlar la secuencia que las formas de las gotas terminaron adoptando. Este grado de control podría ser útil para múltiples aplicaciones –desde productos farmacéuticos hasta artículos para el hogar— que utilizan emulsiones de pequeñas gotitas.

“El fenómeno es tan rica en la combinación de varias áreas activas de investigación que este estudio puede abrir nuevas vías para la investigación en la materia y la ciencia de los materiales blandos”, apunta la coautora Slavka Tcholakova, de la Universidad de Sofía.

“Si vamos a construir estructuras artificiales con el mismo tipo de control y complejidad que los sistemas biológicos, necesitamos desarrollar procesos ascendentes eficientes para crear bloques de construcción de diversas formas, que luego pueden ser utilizados para hacer estructuras más complicadas -añade-. Pero es curioso observar un comportamiento similar a la vida en una cosa no viva y, en muchos casos, los objetos artificiales pueden parecer más “vivos que los que viven”.

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