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| Las mandíbulas de las hormigas tienen una poderosa mordida gracias a los átomos de zinc que llevan incorporados. (Foto cortesía de Robert Schofield | Universidad de Oregón) |
¿Se ha preguntado alguna vez cómo pueden las pequeñas criaturas cortar, perforar o picar tan fácilmente? Una nueva investigación revela que las hormigas, los gusanos, las arañas y otras criaturas diminutas tienen un conjunto de herramientas incorporado que sería la envidia de cualquier carpintero o cirujano.
Un estudio reciente, publicado en la revista Nature Scientific Reports, muestra por primera vez cómo se organizan los átomos individuales de zinc para maximizar la eficacia del corte y mantener el filo de estas herramientas animales minúsculas exquisitamente construidas. Una colaboración entre un equipo de investigación de la Universidad de Oregón y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE.UU. reveló la solución de la naturaleza para que las diminutas criaturas puedan cortar y perforar con relativa facilidad.
Cuando la hormiga muerde
Considere el diente de la hormiga. Sí, las hormigas tienen dientes, como puede atestiguar cualquiera que haya pisado alguna vez un hormiguero. Estas estructuras especializadas, denominadas técnicamente "dientes mandibulares" porque se fijan fuera de la boca, están hechas de una red de material que une fuertemente átomos individuales de zinc. El efecto total es una mandíbula que contiene más del 8% del peso del diente con zinc.
Este tipo de herramientas especializadas de los bichos han fascinado durante décadas al profesor asociado de la Universidad de Oregón Robert Schofield, que ha dirigido este estudio. Su equipo de biofísicos ha desarrollado técnicas para medir la dureza, la elasticidad, la energía de fractura, la resistencia a la abrasión y la resistencia al impacto a escala miniatura.
Pero no podían ver realmente la estructura de los materiales que componen los dientes de las hormigas y otras herramientas animales microscópicas, especialmente a escala atómica. Ahí es donde entraron en escena el científico de materiales del PNNL Arun Devaraj y la becaria de doctorado Xiaoyue Wang. Devaraj es un experto en el uso de una técnica de microscopía especializada llamada tomografía de sonda atómica. Utilizó un microscopio de haz de iones enfocado para tomar una diminuta muestra de aguja de la punta de un diente de hormiga y, a continuación, tomó imágenes de esa muestra de aguja utilizando la tomografía de sonda atómica, lo que permitió al equipo identificar cómo se disponen los átomos individuales cerca de la punta de un diente de hormiga.
Con esta técnica, Devaraj y Wang registraron por primera vez la distribución a nanoescala de los átomos de zinc en el diente de la hormiga.
"Pudimos ver que el zinc está distribuido uniformemente en el diente, lo que fue una sorpresa", dijo Devaraj. "Esperábamos que el zinc estuviera agrupado en nanonódulos".
El equipo de investigación estimó que, como estos biomateriales pueden ser más afilados, hacen posible que los animales utilicen un 60 por ciento o incluso menos de la fuerza que tendrían que emplear si sus herramientas estuvieran hechas de materiales similares a los de los dientes humanos. Al requerir menos fuerza, sus músculos más pequeños gastan menos energía. Estas ventajas pueden explicar por qué todas las arañas, hormigas, otros insectos, gusanos, crustáceos y muchos otros grupos de organismos tienen estas herramientas especializadas.
Aprender de la naturaleza es una forma de entender qué hace que los materiales sean más fuertes y resistentes a los daños, añadió Devaraj. Actualmente está utilizando un premio del DOE para estudiar, a escala atómica, los principios que hacen que algunos materiales sean fuertes y resistentes a los daños. "Estudiando la microestructura del acero también a escala atómica, podemos entender mejor cómo la alteración de la composición de los materiales cambia su resistencia a los daños, concretamente la resistencia a la corrosión por tensión y su comportamiento a lo largo del tiempo", dijo. "Esto es especialmente importante para el diseño de estructuras como las centrales nucleares, que deben soportar el envejecimiento durante muchas décadas".
El estudio de investigación contó con el apoyo del Centro de Investigación para la Caracterización de Materiales Avanzados, una instalación con sede en la Universidad de Oregón, respaldada por la Fundación Nacional de la Ciencia. Una parte del trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el PNNL en Richland, Washington.
Fuentes, créditos y referencias:
The homogenous alternative to biomineralization: Znand Mn‑rich materials enable sharp organismal "tools" that reduce force requirements, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-91795-y