Los animales, las plantas y otros organismos que pueblan nuestro planeta son un prodigio de la naturaleza. En muchos casos, estos seres vivos sirven de inspiración a científicos de todo el mundo, España incluida, para desarrollar nuevas técnicas o materiales más sostenibles, eficientes y respetuosos con el medioambiente. Por ejemplo, existe una pintura inspirada en las alas de determinadas mariposas que puede aislar los edificios hasta 15 grados y semillas artificiales que van a cambiar la agricultura midiendo la temperatura y la humedad. 

Uno de los sectores donde más está calando esta bioinspiración es en el de la construcción, y más concretamente en el desarrollo de materiales que puedan sustituir al hormigón convencional, uno de los principales contribuyentes a la emisión de CO2 a nivel mundial. Avances recientes como las baldosas de base biológica que crecen con la ayuda de bacterias o el hormigón que repara las grietas en edificios y carreteras por sí mismo se ven ahora ampliados gracias a un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, en EEUU. Su hazaña ha sido crear en laboratorio un material 19 veces más flexible y 17 veces más resistente al agrietamiento que el hormigón convencional. 

Sus hallazgos, recogidos en un artículo de la revista Advanced Functional Materials, describe cómo se inspiraron en el nácar, la capa interna de las conchas de algunos moluscos, que también es el material con el que las ostras forman las perlas. Para emularlo, los científicos usaron capas alternas de pasta de cemento tabulado y polímero fino, que permitieron aumentar significativamente la resistencia a las grietas y la ductilidad del material, ofreciendo una gran capacidad para deformarse sin romperse.

La naturaleza como inspiración

Todo proviene del Laboratorio de Materiales Arquitectónicos y Fabricación Aditiva (AM2) de la Universidad de Princeton que dirige Reza Moini, dedicado desde hace años a investigar posibles mejoras en las infraestructuras civiles. El propio Moini y el estudiante de posgrado Shashank Gupta son los autores principales del artículo en el que explican cómo han diseñado un nuevo tipo de hormigón "más resistente, seguro y duradero" que el que se utiliza habitualmente en el sector de la construcción.

A nivel microscópico, el nácar o madreperla se forma por tabletas hexagonales de aragonito, una forma cristalina del carbonato de calcio especialmente dura, pegadas entre sí por un bipolímero blando. Esa peculiar composición es la que aporta por un lado resistencia a las grietas y por otro flexibilidad, valores imprescindibles para mejorar el hormigón actual, del que se producen más de 4.000 millones de toneladas anualmente en todo el mundo.

El nuevo material pretende emular la composición del nácar Universidad de Princeton Omicrono

El deslizamiento de las pastillas de aragonito bajo tensión es lo que genera ese mecanismo de endurecimiento que permite al nácar disipar la energía y, por tanto, lo hace prácticamente irrompible frente a la tensión mecánica además de garantizar su integridad estructural.

"Esta sinergia entre los componentes duros y blandos es crucial para las extraordinarias propiedades mecánicas del nácar", afirma Gupta en un comunicado de prensa de la propia Universidad de Princeton. Para emular este comportamiento, los investigadores desarrollaron compuestos a partir de materiales convencionales, alternando capas de láminas de cemento Portland con polivinilsiloxano, un polímero de gran elasticidad.

Pruebas de laboratorio

Para comprobar su resistencia, Gupta y Moini crearon vigas multicapa para someterlas a un ensayo de flexión en tres puntos con muescas, con el objetivo de evaluar la resistencia a las grietas y la tenacidad a la fractura de diferentes composiciones.

Entraron en juego tres tipos de vigas: uno con capas alternas superpuestas, otro con ranuras hexagonales hechas con láser en las láminas de pasta de cemento y, por último, una variación con pastillas hexagonales independientes, conectadas por la capa de polímero. Cada uno de ellos se comparó con una pasta de cemento sólida, para comprobar hasta qué punto mejoraban sus características.

Uno de los experimentos con las vigas para ponerlas a prueba Universidad de Princeton Omicrono

Si estas últimas se mostraron frágiles, rompiéndose de forma repentina al alcanzar su punto de fallo, las más parecidas al nácar (las vigas con pastillas hexagonales separadas) obtuvieron los mejores resultados. Según sus cálculos, estas demostraron una ductilidad 19 veces mayor y una resistencia a la fractura 17 veces mayor, además de una resistencia similar a la de la viga de pasta de cemento sólida.

Defectos intencionados

"Nuestro planteamiento bioinspirado no consiste simplemente en imitar la microestructura de la naturaleza, sino en aprender de los principios subyacentes y utilizarlos como base para la ingeniería de materiales fabricados por el hombre", aseguró Moini. Aunque resulte paradójico, los investigadores comprobaron que crear intencionadamente defectos en los materiales frágiles "los hace más resistentes por diseño".

Todavía queda un largo recorrido por delante antes de que este material inspirado en la concha de los moluscos sustituya al cemento que se utiliza actualmente para construir edificios, ya que todo se basa en condiciones de laboratorio y es necesaria una investigación más profunda para escalar la producción y poder usarlo in situ.

De hecho, en lo que trabaja ahora el equipo del que forman parte Moini y Gupta es en determinar si la resistencia a la fractura y la ductilidad de las estructuras que han logrado se aplican a otros materiales cerámicos además de la pasta de cemento, como el hormigón.

De izquierda a derecha, Reza Moini y Shashank Gupta Universidad de Princeton Omicrono

"Sólo estamos arañando la superficie; habrá numerosas posibilidades de diseño para explorar y diseñar las propiedades constitutivas de los materiales duros y blandos, las interfaces y los aspectos geométricos que intervienen en los efectos fundamentales del tamaño en los materiales de construcción", asume Moini.

No es el único desarrollo en el que está trabajando su laboratorio. Otra de sus investigaciones más prometedoras tiene que ver con un nuevo material similar al hormigón capaz de absorber el agua de lluvia para evitar inundaciones en entornos urbanos. Este elemento, diseñado para conformar aceras, carreteras y otros elementos del paisaje urbano, cuenta con poros grandes y pequeños dispuestos para optimizar tanto la absorción de agua como la robustez mecánica, además de la liberación lenta del líquido de nuevo al medioambiente.