Un gusano marino tiene mandíbulas hechas de un biometal completamente nuevo

Los gusanos depredadores se encuentran entre los habitantes más antiguos del mar y llevan una herramienta asombrosa en la cabeza. La especie Perinereis cultrifera utiliza poderosas mandíbulas para agarrar, aplastar y desmenuzar a sus presas. A diferencia de los vertebrados, estas mandíbulas no están formadas por tejido calcificado, sino por una densa red de proteínas estructurales en las que están incrustados iones metálicos. Esta combinación de estructura orgánica e iones incorporados confiere al material la dureza que cabría esperar de materiales técnicos. Los expertos sospechan desde hace tiempo que estas proteínas coordinadas por metales siguen sus propias reglas mecánicas. Debido a que la interacción entre proteínas e iones es tan inusual, la mandíbula del gusano es un objeto de estudio ideal para volver a medir y comprender mejor el límite entre el tejido vivo y el material metálico.

El término biometal significa algo más que un simple material biológico que resulta ser duro. Los investigadores lo definen por tres características: alta dureza, comportamiento especial de deformación bajo carga y una estrecha interconexión de iones y proteínas. Esto significa que la nueva categoría se distingue deliberadamente de nombres más antiguos que sólo describían la resistencia o conductividad similar al metal. Para que estas propiedades sean visibles, se necesitan métodos de medición en el rango micro y nano que registren con precisión fuerzas diminutas. Precisamente aquí es donde entra en juego el estudio actual, que examina la mandíbula del gusano no sólo en la superficie, sino también a lo largo de su sección transversal. De esta manera se puede aclarar si un material procedente de la naturaleza sigue las mismas leyes que un metal clásico o si sigue su propio camino en la ciencia de los materiales, apenas descrito hasta ahora.

¿Qué tan duras son realmente las mandíbulas de los gusanos?

Para el análisis, el equipo de TU Wien y la Universidad de Viena utilizó nanoindentación, un proceso en el que se presiona una pequeña punta en el material con una fuerza definida. Los investigadores midieron la resistencia del material a la penetración en once lugares de la mandíbula y a seis profundidades diferentes. También utilizaron análisis químicos e imágenes de alta resolución para visualizar la distribución de los iones metálicos. Esto confirmó que los iones están más densamente ubicados en las puntas de la mandíbula que en el centro, lo que explica las puntas más duras. Los autores revelan los detalles de esta serie de mediciones en su estudio en Biophysics Reviews, que combina experimentos y modelos matemáticos. Estas mediciones resueltas espacialmente muestran que la naturaleza desplaza específicamente la dureza hacia donde la herramienta está sometida a la mayor carga al morder.

Un efecto de tamaño como el de los metales reales.

Lo que más llamó la atención fue el fenómeno que los expertos conocen como efecto de tamaño: cuanto más pequeña era la superficie analizada, más duro parecía el material. En los metales cristalinos, este efecto se debe a dislocaciones, es decir, pequeños defectos en la red atómica. Sin embargo, la mandíbula del gusano no tiene una red cristalina metálica, sino más bien una estructura de proteínas unidas a iones, y aún así muestra su efecto. La elasticidad, es decir, la capacidad de remodelarse después de una carga, era aún más inusual. Este comportamiento también cambió con el tamaño del área analizada, de una manera que no experimentó el cobre o la plata. Es precisamente esta diferencia la que separa al biometal de los metales ordinarios y lo hace tan atractivo para la ciencia de materiales, porque apunta a su propio modelo de resistencia, como se describe en la idea básica de la biónica como modelo de la naturaleza.

¿Qué significan los biometales para la tecnología?

Para explicar este inusual comportamiento elástico, los investigadores utilizaron un modelo matemático que vincula fuerzas microscópicas con mecánicas a gran escala. Esta herramienta está destinada a ayudar en el futuro a diseñar específicamente materiales que combinen dureza y flexibilidad de una manera inteligente similar a la de la mandíbula del gusano. Son posibles cantos de corte autoafilables, revestimientos resistentes al desgaste o componentes que no requieran un procesamiento del metal que consuma mucha energía. Lo que también resulta atractivo es que la naturaleza crea tal dureza a temperatura ambiente y en el agua, mientras que los materiales duros técnicos a menudo requieren altas temperaturas, como muestra el ejemplo de las estructuras de carbono especialmente duras. Se trata todavía de investigación básica, y el camino desde las mandíbulas de gusano hasta los materiales industriales es largo. Sin embargo, el estudio proporciona una base fiable para medir sistemáticamente biometales y transferir sus principios a materiales técnicos.

Reseñas de biofísica, biometales: materiales biológicos antiguos con efectos de tamaño de nanoindentación: experimentos y elementos de micromecánica múltiple; doi:10.1063/5.0325367