Aunque la nanotecnología se presenta como una invención humana bastante reciente, la naturaleza en realidad está llena de arquitecturas nanoscópicas. Estas sustentan las funciones esenciales de una gran variedad de formas de vida, desde bacterias hasta bayas, y desde avispas hasta ballenas.
De hecho, el uso hábil de los principios de la nanociencia puede rastrearse hasta estructuras naturales de más de 500 millones de años. A continuación se presentan solo cinco fuentes de inspiración que los científicos podrían utilizar para crear la próxima generación de tecnología humana.
1. Colores estructurales
La coloración de varios tipos de escarabajos y mariposas se produce mediante conjuntos de pilares nanoscópicos cuidadosamente espaciados. Compuestos de azúcares como el quitosano, o de proteínas como la queratina, los anchos de las ranuras entre los pilares se diseñan para manipular la luz y lograr ciertos colores o efectos como la iridiscencia.
Una ventaja de esta estrategia es la resistencia. Los pigmentos tienden a decolorarse con la exposición a la luz, pero los colores estructurales son estables durante periodos notablemente largos. Un estudio reciente sobre la coloración estructural en bayas de mármol azul metálico, por ejemplo, analizó ejemplares recogidos en 1974, que habían conservado su color a pesar de llevar mucho tiempo muertos.
Otra ventaja es que el color puede cambiarse simplemente variando el tamaño y la forma de las ranuras, y también llenando los poros con líquidos o vapores. De hecho, a menudo la primera pista de la presencia de coloración estructural es un vivo cambio de color después de que el ejemplar se ha empapado en agua. Algunas estructuras de las alas son tan sensibles a la densidad del aire en las ranuras que se observan cambios de color en respuesta a la temperatura también.
2. Visibilidad a larga distancia
Además de simplemente desviar la luz en un ángulo para lograr la apariencia de color, algunas capas ultrafinas de paneles de ranuras invierten por completo la dirección de la trayectoria de los rayos de luz. Esta desviación y bloqueo de la luz pueden actuar conjuntamente para crear efectos ópticos impresionantes, como las alas de una sola mariposa con una visibilidad de media milla, y escarabajos con escamas blancas brillantes, que miden apenas cinco micrómetros. De hecho, estas estructuras son tan impresionantes que pueden superar a estructuras diseñadas artificialmente que son 25 veces más gruesas.
3. Adhesión
Las patas de los geckos pueden adherirse firmemente a prácticamente cualquier superficie sólida en milisegundos, y desprenderse sin aparente esfuerzo. Esta adhesión es puramente física sin ninguna interacción química entre las patas y la superficie.
La capa adhesiva activa de la pata del gecko es una capa nanoscópica ramificada de cerdas llamadas “espátulas”, que miden unos 200 nanómetros de longitud. Varios miles de estas espátulas están unidas a “setas” de tamaño micrométrico. Ambas están hechas de queratina muy flexible. Aunque la investigación sobre los detalles más finos del mecanismo de adhesión y desprendimiento de las espátulas está en curso, el simple hecho de que funcionen sin ningún químico adhesivo es una proeza de diseño impresionante.
Las patas de los geckos tienen también otras características fascinantes. Son autolimpiantes, resistentes al autoenredado (las setas no se pegan entre sí) y se desprenden por defecto (incluso unas de otras). Estas características han dado lugar a sugerencias de que en el futuro, pegamentos, tornillos y remaches podrían fabricarse todos mediante un único proceso, moldeando queratina o un material similar en distintos moldes.
4. Resistencia porosa
La forma más resistente de cualquier sólido es el estado de cristal único –piense en los diamantes– en el que los átomos están presentes en un orden casi perfecto de un extremo del objeto al otro. Elementos como las varillas de acero, los fuselajes de aeronaves y los paneles de automóviles no son monocristalinos, sino policristalinos, con una estructura similar a un mosaico de granos. Así, en teoría, la resistencia de estos materiales podría mejorarse aumentando el tamaño del grano o haciendo que toda la estructura sea monocristalina.
Los cristales únicos pueden ser muy pesados, pero la naturaleza tiene una solución para ello en forma de poros nanoestructurados. La estructura resultante –un mesocristal– es la forma más resistente de un sólido dado para su categoría de peso. Las espinas de erizo de mar y el nácar (madreperla) están hechos de formas mesocristalinas. Estas criaturas tienen caparazones ligeros y, sin embargo, pueden habitar a grandes profundidades donde la presión es alta.
En teoría, los materiales mesocristalinos pueden fabricarse, aunque con los procesos existentes se requeriría una gran manipulación compleja. Las nanopartículas diminutas tendrían que girarse hasta alinearse con precisión atómica con otras partes de los mesocristales en crecimiento, y luego tendrían que gelificarse juntas alrededor de un espaciador blando para formar finalmente una red porosa.
5. Navegación bacteriana
Las bacterias magnetotácticas poseen la extraordinaria capacidad de detectar campos magnéticos minúsculos, incluido el de la propia Tierra, mediante pequeñas cadenas de nanocristales llamados magnetosomas. Se trata de granos de entre 30 y 50 nanómetros, formados por magnetita (una forma de óxido de hierro) o, con menos frecuencia, greigita (una combinación de hierro y azufre). Varias características de los magnetosomas trabajan juntas para producir una “aguja de brújula” flexible, muchas veces más sensible que sus equivalentes fabricados por el hombre.
Aunque estos “sensores” solo se usan para navegar distancias cortas (las bacterias magnetotácticas habitan en charcas), su precisión es increíble. No solo pueden encontrar su camino, sino que la variación del tamaño del grano les permite retener información, mientras que el crecimiento se limita a las disposiciones atómicas más sensibles magnéticamente.
Sin embargo, dado que el oxígeno y el azufre se combinan con voracidad con el hierro para producir magnetita, greigita u otros más de 50 compuestos –solo unos pocos de los cuales son magnéticos–, se requiere gran habilidad para producir selectivamente la forma correcta y crear las cadenas de magnetosomas. Tal destreza está actualmente fuera de nuestro alcance, pero la navegación futura podría revolucionarse si los científicos aprenden a imitar estas estructuras.
