La seda de araña presenta una propiedad muy singular que se llama “supercontracción”. La supercontracción se manifiesta cuando la seda se mete en agua o en un medio de humedad relativa muy elevada y su longitud disminuye hasta un 50% o más de la longitud inicial. Este comportamiento que es muy singular y se manifiesta de una manera muy clara en el comportamiento de la seda, había sido siempre una intriga, de la misma forma que su origen. Se pensaba que podía estar relacionado con el rocío de la mañana que, al empapar las telarañas, permitía tensarlo. Lo que hemos visto hace unos cuantos años es que realmente este comportamiento es mucho más profundo. Parece ser al final que está en la base del comportamiento que tiene la seda de araña, que es el material más tenaz de todos los que se conocen. Es el material que más energía necesita para poder ser roto.
El profesor del Centro de Tecnología Biomédica-CTB y del Departamento de Ciencia de Materiales de la UPM José Pérez-Rigueiro, analiza el contenido del artículo científico que ha sido publicado el 20/2/2019 en la revista "Scientific Reports (Nature Publishing Group)" con tema :
"Emergence of supercontraction in regenerated silkworm (Bombyx mori) silk fibers".
Autores:
José Pérez-Rigueiro, Rodrigo Madurga, Alfonso M. Gañán-Calvo, Manuel Elices, Gustavo V. Guinea, Yugo Tasei, Akio Nishimura, Hironori Matsuda & Tetsuo Asakura
(https://www.nature.com/articles/s41598-019-38712-6)
¿Por qué está en el origen? Pensamos que la aparición de la seda de altas prestaciones hace alrededor unos 200-250 millones de años está relacionada con la aparición de este fenómeno. El fenómeno de la supercontracción es la manifestación de que el material tiene un estado base. Es decir, a diferencia de lo que ocurre cuando nosotros cogemos una fibra o un textil, lo estiramos, y aquello se estropea, la supercontracción lo que implica es que al material, la seda en este caso, yo le puedo “dar de sí”, la induzco en una deformación irreversible pero, si meto esa seda otra vez en agua, recupera otra vez las propiedades iniciales. Esto lo puedo repetir varias veces. Puedo “dar de sí” al material y volver a recuperar nuevamente el estado base que tiene.
Podemos pensar por ejemplo en el caso de un parachoques, donde tienes un pequeño golpe y un cierto daño. Entonces, con este material y su comportamiento, bastaría prácticamente con regarlo para que aquello recuperase la forma inicial.
Ha habido mucho interés en entender cuál es el origen de este comportamiento porque por un lado los estudios sobre la seda de araña han desvelado varias claves, pero por el otro lado no estaba claro cuál es el origen, qué es aquello que permite al material tener este comportamiento que es singular y no se conoce en otros materiales.
Para su generación la araña tiene una glándula concreta, entre una serie de otras glándulas, la glándula “ampollacea mayor”, cuyo hilo construye la estructura de la telaraña y además se utiliza como un hilo de seguridad. Las arañas producen también otros tipos de seda que no tiene este comportamiento de supercontracción. Este comportamiento especial lo tienen solamente algunos de los hilos que producen. Por ejemplo, el hilo con el que la araña recubre la puesta, cuando pone los huevos, no presenta supercontracción. Solo un par de hilos se comportan así. Eso nos interesa por dos razones:
1. Especialmente porque parece ser que está en el origen del comportamiento mecánico único que tiene este material y
2. Sería muy interesante poder desarrollar materiales artificiales que tuviesen un comportamiento parecido.
Lo que hacemos es coger la seda del gusano de seda que no tiene supercontracción, la disolvemos y la volvemos a hilar con un procedimiento que hemos desarrollado denominado "hilado por flujo deformante" (Straining Flow Spinning, SFS). Así podemos conseguir que este material, que tiene la misma composición de la seda del gusano pero diferente estructura, manifieste supercontracción. Podemos conseguir que se cree un estado base de tal manera que, cuando yo estiro un material y lo vuelvo a meter en agua, recupera la condición inicial. Esto lo conseguimos variando las condiciones de hilado. Es la gran ventaja. Al estar trabajando con un sistema de hilado artificial nosotros podemos variar los parámetros que controlan el hilado. Somos capaces de hacer que las fibras se supercontraigan o no; todas con la misma química en función de los parámetros que utilizamos durante el procesamiento:
- En primer lugar, poder disponer de fibras artificiales que se supercontraigan o no a voluntad en función del procesado nos ha permitido tener suficiente material para explorar qué es lo que permite que estos materiales tengan el estado base que define a la supercontracción.
- La segunda parte es cómo podemos realizar este estudio ya que realmente es un material complejo. Cuando los materiales son cristalinos el análisis es racionalmente fácil pero tienen una mayor parte no cristalina, donde se ubica el secreto de su funcionamiento. Por ello es muy complicado entender en detalle cómo está formado.
Lo que hemos hecho ha sido establecer una colaboración entre nuestro laboratorio y el laboratorio de la Universidad Agrícola de Tokio con el profesor Tetsuo Asakura, experto en resonancia magnética nuclear. La resonancia magnética nuclear se conoce sobre todo por la parte de imagen pero, en este caso, es una técnica similar que nos permite identificar los constituyentes que tiene la seda y cuál es su estructura a una escala molecular. Ha habido varias dificultades durante el proceso. La primera de todas es que, para poder realizar la resonancia magnética nuclear es necesario trabajar con uno de los isótopos de carbono. Como el carbono 13 es muy minoritario, la Universidad de Tokio ha tenido que alimentar a los gusanos con carbono enriquecido, de tal manera que la seda que ellos produzcan esté enriquecida en carbono. De allí los capullos enriquecidos en carbono 13 eran enviados a nuestro laboratorio de Madrid donde lo procesábamos y funcionaba si teníamos un procedimiento eficiente para preparar la fibra. Aquí hacíamos todo el proceso, generábamos las fibras, les dábamos supercontracción o no en función del procesado y, una vez hecho, mandábamos nuevamente el material de vuelta a Tokio, donde se encargaban del análisis del material mediante la resonancia magnética nuclear. Comparaban las fibras que se supercontraían con las que no lo hacían.
Los resultados han sido bastante sorprendentes porque este comportamiento de supercontracción, que alguien asocia con la capacidad que tiene el material en desorganizarse, uno tiende a pensar que puede estar relacionado con que el material de partida no esté demasiado ordenado. Esto es lo que parece que pasa con la seda de gusano natural. Su material está tan ordenado que cuando lo metemos en agua no tiene la capacidad para alcanzar la supercontracción. Sin embargo parece que existe un límite en el desorden que puede estar el material porque cuando nos vamos a la situación más desordenada esos materiales más desordenados tampoco son capaces de supercontraerse. La información más básica que tenemos en el artículo es que hay una región de ordenación adecuada. Ni demasiado grande en un sentido ni demasiado pequeña en otro sentido. Si la ordenación es muy grande tenemos un material muy cristalino que no puede supercontraerse y si es demasiado pequeña tampoco puede hacerlo. Hemos encontrado que hay un rango de valores óptimo y si nos pasamos de él, perdemos la supercontracción.
El objetivo del artículo es doble:
1. En primer lugar entender cuál es el origen de la supercontracción de la seda de araña. Cuál es el motivo por que el material es el más tenaz de todos los que conocemos y
2. Para la aplicación, tras entender los principios en los que se basa y lo que es este rango óptimo de valores, el objetivo es pensar en formulaciones completamente artificiales ya dentro de polímeros o plásticos artificiales que puedan tener un comportamiento parecido. O sea, pensando en este rango óptimo de organización, en no pasarse en materiales ni muy cristalinos, ni por otro lado ir a materiales con tanto desorden (que no puedan reordenarse cuando los metemos dentro del agua). El ejemplo más visual es pensar en un parachoques (con material que creamos nosotros) que absorba la energía del choque y que luego baste con sumergirlo en agua y aquello recupere las propiedades iniciales. Ésa es la grandísima ventaja de tener un estado base. También estamos pensando en utilizarlo en Biomedicina, por ejemplo, para suturas, donde ejercerían una fuerza en el momento en el que se mojasen. Inicialmente el hilo tendría una longitud determinada y cuando se introdujese en el cuerpo como sutura, ya que la humedad sería más elevada, se crearían tensiones dentro del hilo que favorecerían el cierre de la herida.
José Pérez- Rigueiro, Profesor del Centro de Tecnología Biomédica-CTB y del Departamento de Ciencia de Materiales de la UPM
Link del artículo publicado : https://www.nature.com/articles/s41598-019-38712-6
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