Agencias/Ciudad de México.- Nuevos materiales concebidos en la UC San Diego brillan en respuesta a tensiones mecánicas, como compresión, estiramiento o torsión. Obtienen su luminiscencia de algas unicelulares.
“Una característica interesante de estos materiales es su simplicidad inherente: no necesitan electrónica ni fuente de energía externa”, dijo el autor principal del estudio, Shengqiang Cai, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. “Demostramos cómo podemos aprovechar el poder de la naturaleza para convertir directamente los estímulos mecánicos en emisión de luz”.
El trabajo, inspirado en las ondas bioluminiscentes observadas durante los eventos de marea roja en las playas de San Diego, se publica en Science Advances.
Soft, living #materials made with algae glow under stress @ucsandiego @ScienceAdvances https://t.co/e0d5vVx61c https://t.co/gUqp8fPNv7
— Phys.org (@physorg_com) October 20, 2023
Los ingredientes principales de los materiales bioluminiscentes son dinoflagelados y un polímero a base de algas llamado alginato. Estos elementos se mezclaron para formar una solución, que luego se procesó con una impresora 3D para crear una amplia gama de formas, como cuadrículas, espirales, telarañas, bolas, bloques y estructuras en forma de pirámide. Luego, las estructuras impresas en 3D se curaron como paso final.
Cuando los materiales se someten a compresión, estiramiento o torsión, los dinoflagelados que contienen responden emitiendo luz. Esta respuesta imita lo que sucede en el océano, cuando los dinoflagelados producen destellos de luz como parte de una estrategia de defensa contra los depredadores. En las pruebas, los materiales brillaron cuando los investigadores los presionaron y trazaron patrones en su superficie. Los materiales eran incluso lo suficientemente sensibles como para brillar bajo el peso de una bola de espuma que rodaba sobre su superficie.
Cuanto mayor sea la tensión aplicada, más brillante será el brillo. Los investigadores pudieron cuantificar este comportamiento y desarrollaron un modelo matemático que puede predecir la intensidad del brillo en función de la magnitud de la tensión mecánica aplicada.
https://twitter.com/maziyarj/status/1716431779614298568
Los investigadores también demostraron técnicas para hacer que estos materiales sean resistentes en diversas condiciones experimentales. Para reforzar los materiales para que puedan soportar cargas mecánicas sustanciales, se añadió a la mezcla original un segundo polímero, diacrilato de polietilenglicol. Además, recubrir los materiales con un polímero elástico similar al caucho llamado Ecoflex proporcionó protección en soluciones ácidas y básicas. Con esta capa protectora, los materiales podrían incluso almacenarse en agua de mar hasta cinco meses sin perder su forma ni sus propiedades bioluminiscentes.
Otra característica beneficiosa de estos materiales son sus mínimos requisitos de mantenimiento. Para seguir funcionando, los dinoflagelados dentro de los materiales necesitan ciclos periódicos de luz y oscuridad. Durante la fase de luz, realizan la fotosíntesis para producir alimento y energía, que luego se utilizan en la fase de oscuridad para emitir luz cuando se les aplica tensión mecánica. Este comportamiento refleja los procesos naturales que entran en juego cuando los dinoflagelados provocan bioluminiscencia en el océano durante los eventos de marea roja.
“Este trabajo actual demuestra un método simple para combinar organismos vivos con componentes no vivos para fabricar nuevos materiales que sean autosostenibles y sensibles a estímulos mecánicos fundamentales que se encuentran en la naturaleza“, dijo el primer autor del estudio, Chenghai Li, ingeniero mecánico y aeroespacial y candidato a doctorado en el laboratorio de Cai.
Los investigadores imaginan que estos materiales podrían usarse como sensores mecánicos para medir la presión, la tensión o el estrés. Otras aplicaciones potenciales incluyen robótica blanda y dispositivos biomédicos que utilizan señales luminosas para realizar tratamientos o liberación controlada de fármacos.
Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer antes de que estas aplicaciones puedan realizarse. Los investigadores están trabajando para seguir mejorando y optimizando los materiales.
Our paper is out @ScienceAdvances. Inspired by mechanosensing, we developed ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites. Many thanks to my advisor @ShengqiangCai & collaborators @nicoschramma @maziyarj, Michael Latz, Zijun Wang&Nada Qari https://t.co/i64CAIJ6dA
— Chenghai Li (@ChenghaiLi3) October 21, 2023
