Optimización en diseños de materiales a nanoescala

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts han investigado las estructuras de proteínas en base a materiales con el propósito de aprender la clave en el desarrollo de nuevos productos ligeros, y de robusta fuerza. Recientemente descubrieron que el enlace de las proteínas que producen los materiales resistentes no responde al vínculo de la mayoría redundantemente incorporada o del más complicado patrón empleado en la actualidad. En cambio, la disposición óptima de proteínas descubierta se basa en cadenas, respondiendo a un patrón de dos grupos de cuatro bloques de proteínas alfa-helicoidal.

Esta composición de dos jerarquías repetidas (grupos y bloques) proporciona una gran fuerza, la capacidad de soportar presión mecánica sin que se desforme, presentando una gran robustez. Debido a que la proteína alfa-helicoidal sirve como piedra angular de muchos materiales comunes, la comprensión de las propiedades de estos materiales han sido objeto de una intensa investigación científica desde el descubrimiento de la proteína en la década de 1940.

En un artículo publicado en línea el 27 de enero en la revista Nanotechnology, Markus Buehler y Theodor Ackbarow describen el modelo de desempeño de la proteína, sobre la base de simulaciones de dinámica molecular. Con su modelo se puso a prueba la fortaleza y solidez de las cuatro diferentes combinaciones de ocho proteínas alfa-helicoidal: un solo grupo de ocho proteínas, dos grupos de cuatro bloques de proteínas, cuatro grupos de dos bloques de proteínas, y el doble de dos bloques de grupos de proteínas. Basando sus modelos moleculares en un comportamiento realista, incluyeron cadenas de formación de hidrógeno en cadenas enrolladas en las proteínas alfa-helicoidal.

“La forma tradicional de diseñar materiales es examinar las propiedades a nivel macro, pero una manera más eficiente en el diseño de los materiales es jugar con el maquillaje estructural a nanoescala”, decía Buehler, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en el MIT. “Esto proporciona un nuevo paradigma en la ingeniería que nos permite diseñar nuevas clases de materiales”.

Cada vez con más frecuencia, las proteínas en materiales naturales se utilizan como inspiración para el diseño de materiales sintéticos que se basan en nanocables y nanotubos de carbono, que pueden ser fabricados para ser mucho más fuertes que los materiales biológicos. Buehler Ackbarow demuestra que la labor de reorganizar el mismo número de elementos en jerarquías a la nanoescala, hacen que un material pueda ser cambiado radicalmente. Esto podría eliminar la necesidad de inventar nuevos materiales enfocados diferentes aplicaciones.

En un estudio de seguimiento realizado por Buehler, Zhao Qin y Steve Cranford, llevaron a cabo pruebas similares en las que utilizaron más de 16.000 elementos en lugar de ocho. Ellos encontraron que el 98 por ciento de los cables dispuestos al azar, hacia que las estructuras no cumpliesen con un rendimiento óptimo al nivel de auto-ensamblado de moléculas naturales, que constituyen el otro 2 por ciento de las estructuras.

Este análisis muestra que los encajes al azar de los elementos típicos conducen a resultados inferiores, y puede explicar por qué muchos materiales en ingeniería todavía no son capaces de combinar diferentes propiedades tales como la solidez y fortaleza. “Sólo unas pocas colocaciones nanoestructuradas constituyen la base material para un óptimo rendimiento, y esto debe ser incorporado en el proceso de diseño de materiales”, decía Buehler.

Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Más información: Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT