Todo niño que ha leído un cómic o ha visto una película de Spider-Man ha tratado de imaginar cómo sería disparar una telaraña desde su muñeca, cruzar la calle volando y atrapar al villano. Los investigadores de la Universidad de Tufts tomaron en serio esos escenarios hipotéticos y desarrollaron la primera tecnología de lanzamiento de redes en la que un fluido puede dispararse desde una aguja, solidificarse instantáneamente en una cuerda y adherirse a objetos y levantarlos.
Estas fibras pegajosas, fabricadas en el SilkLab de la Universidad de Tufts, provienen de capullos de polilla de seda, que se hierven en una solución y se descomponen en proteínas básicas llamadas fibroína. La solución de fibroína de seda se puede extraer a través de una aguja de calibre estrecho para formar una corriente que, con la adición adecuada, se solidifica formando una fibra cuando se expone al aire.
Por supuesto, la naturaleza es la principal inspiración para colocar fibras de seda en ataduras, redes y capullos. Arañas, hormigas, avispas, abejas, mariposas, polillas, escarabajos e incluso moscas pueden producir seda en algún momento de su ciclo vital. La naturaleza también ha inspirado a SilkLab a utilizar fibroína de seda para crear pegamentos fuertes que pueden funcionar bajo el agua, sensores imprimibles que se pueden aplicar a prácticamente cualquier superficie, recubrimientos comestibles que pueden extender la vida útil de los productos agrícolas, un material que capta la luz y que puede hacerlo significativamente. Aumenta la eficiencia de las células solares y métodos de fabricación de microchips más sostenibles.
Sin embargo, aunque han logrado avances significativos con materiales a base de seda, los investigadores aún tienen que replicar la capacidad de las arañas para controlar la rigidez, elasticidad y propiedades adhesivas de los hilos que hilan.
Un avance se produjo enteramente por accidente. “Estaba trabajando en un proyecto para hacer un adhesivo muy fuerte usando fibroína de seda, y cuando estaba limpiando mi cristalería con acetona, noté que se había formado un material parecido a una red debajo del vidrio”, dijo el profesor asistente de investigación Marco Lo Presti. Mechones.
El descubrimiento accidental superó varios desafíos de ingeniería para replicar los hilos de araña. Las soluciones de fibroína de seda pueden formar lentamente un hidrogel semisólido cuando se exponen a disolventes orgánicos como etanol o acetona, pero la presencia de dopamina, que se utiliza para formar el adhesivo, permite que el proceso de condensación se produzca casi de inmediato. Si el disolvente orgánico se mezcla rápidamente, la solución de seda produce rápidamente fibras adhesivas y de alta resistencia a la tracción. La dopamina y sus polímeros utilizan la misma química que utilizan los percebes para formar fibras que se adhieren firmemente a las superficies.
El siguiente paso fue hilar las fibras en el aire. Los investigadores agregaron dopamina a la solución de fibroína de seda, lo que parece acelerar la transición de líquido a sólido al extraer agua de la seda. Cuando se dispara a través de una aguja coaxial, un fino chorro de solución de seda queda rodeado por una capa de acetona que provoca la solidificación. La acetona se evapora en el aire, dejando una fibra adherida a cualquier cosa con la que entre en contacto. Los investigadores mejoraron la solución de fibroína y dopamina de seda con quitosano, un derivado de exoesqueletos de insectos que dio a las fibras una resistencia a la tracción 200 veces mayor, y un tampón de borato, que aumentó su pegajosidad aproximadamente 18 veces.
Dependiendo del diámetro de la aguja, el diámetro de las fibras puede variar hasta aproximadamente medio milímetro en el cabello humano.
El dispositivo puede disparar fibras que pueden levantar objetos hasta 80 veces su propio peso en diversas condiciones. Los investigadores lo demostraron levantando un capullo, un perno de acero, un tubo de ensayo flotando en el agua, un bisturí parcialmente enterrado en arena y un bloque de madera desde una distancia de unos 12 cm.
Lo Presti señaló que “si observas la naturaleza, verás que las arañas no pueden tejer sus telas. Por lo general, tejen seda con sus glándulas, hacen contacto físico con una superficie y dibujan líneas para construir sus telas. Tenemos una demostración. La forma de disparar una fibra desde un dispositivo y luego seguir un objeto desde la distancia en lugar de presentar este trabajo como un elemento bioinspirado, es realmente un elemento inspirado en un superhéroe”.
La seda de araña natural en este estudio sigue siendo aproximadamente 1000 veces más fuerte que las fibras artificiales. Pero con un poco más de imaginación e ingeniería, la invención seguirá mejorando y allanando el camino para una variedad de aplicaciones tecnológicas.
“Como científicos e ingenieros, navegamos por la frontera entre la imaginación y la práctica. Ahí es donde ocurre toda la magia”, afirmó Fiorenzo Omenetto, profesor de ingeniería en la Universidad de Tufts y director de SilkLab. “Podemos inspirarnos en la naturaleza. Podemos inspirarnos en los cómics y la ciencia ficción. En este caso, queríamos diseñar nuestro material de seda de la forma en que la naturaleza lo diseñó originalmente y los escritores de cómics lo imaginaron”.