Fabrican materiales blandos y vivos hechos con algas que brillan bajo estrés

material bioluminiscente con dinoflagelados
Estos materiales blandos y vivos brillan en respuesta a tensiones mecánicas, como compresión, estiramiento o torsión. Crédito: Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Se componen de dinoflagelados que producen luminiscencia durante los eventos de marea roja

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de California en San Diego ha desarrollado materiales blandos pero duraderos que brillan en respuesta a tensiones mecánicas, como compresión, estiramiento o torsión. Los materiales obtienen su luminiscencia de algas unicelulares conocidas como dinoflagelados.

El trabajo se ha inspirado en las olas bioluminiscentes observadas durante los eventos de marea roja en las playas de San Diego.

"Una interesante característica de estos materiales es su simplicidad inherente: no necesitan electrónica ni fuente de energía externa", dijo el autor principal del estudio, Shengqiang Cai, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego. "Demostramos cómo podemos aprovechar la fuerza de la naturaleza para convertir directamente los estímulos mecánicos en emisión de luz".

Este estudio fue una colaboración multidisciplinaria que involucró a ingenieros y científicos de materiales en el laboratorio de Cai, el biólogo marino Michael Latz del Instituto de Oceanografía Scripps de la UC San Diego y el profesor de física Maziyar Jalaal de la Universidad de Amsterdam.

Los ingredientes principales de los materiales bioluminiscentes son dinoflagelados y un polímero a base de algas llamado alginato. Estos elementos se mezclaron para formar una solución, que luego se procesó con una impresora 3D para crear una amplia gama de formas, como cuadrículas, espirales, telarañas, bolas, bloques y estructuras en forma de pirámide. Luego, las estructuras impresas en 3D se trataron como paso final.

Vídeo: Estos materiales blandos y vivos brillan en respuesta a tensiones mecánicas, como compresión, estiramiento o torsión. Crédito: Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Cuando los materiales se someten a compresión, estiramiento o torsión, los dinoflagelados que contienen responden emitiendo luz. Esta respuesta imita lo que sucede en el océano, cuando los dinoflagelados producen destellos de luz como parte de una estrategia de defensa contra los depredadores. En las pruebas, los materiales brillaron cuando los investigadores los presionaron y trazaron patrones en su superficie. Los materiales eran incluso lo suficientemente sensibles como para brillar bajo el peso de una bola de espuma que rodaba sobre su superficie.

Cuanto mayor sea la tensión aplicada, más brillante será la luz. Los investigadores pudieron cuantificar este comportamiento y desarrollaron un modelo matemático que puede predecir la intensidad del brillo en función de la magnitud de la tensión mecánica aplicada.

recubrimiento de material con dinoflageladosImagen derecha: Recubrimientos elastoméricos para mejorar la estabilidad, viabilidad y propiedades mecánicas de los compuestos vivos en diversas condiciones. Crédito: Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Los investigadores también demostraron técnicas para hacer que estos materiales sean resistentes en diversas condiciones experimentales. Para reforzar los materiales para que puedan soportar cargas mecánicas sustanciales, se añadió a la mezcla original un segundo polímero, diacrilato de polietilenglicol. Además, recubrir los materiales con un polímero elástico similar al caucho llamado Ecoflex proporcionó protección en soluciones ácidas y básicas. Con esta capa protectora, los materiales podrían incluso almacenarse en agua de mar hasta cinco meses sin perder su forma ni sus propiedades bioluminiscentes.

Otra característica beneficiosa de estos materiales son sus mínimos requisitos de mantenimiento. Para seguir funcionando, los dinoflagelados dentro de los materiales necesitan ciclos periódicos de luz y oscuridad. Durante la fase de luz, realizan la fotosíntesis para producir alimento y energía, que luego se utilizan en la fase de oscuridad para emitir luz cuando se les aplica tensión mecánica. Este comportamiento refleja los procesos naturales que entran en juego cuando los dinoflagelados provocan bioluminiscencia en el océano durante los eventos de marea roja.

"Este trabajo actual demuestra un método simple para combinar organismos vivos con componentes no vivos para fabricar nuevos materiales que sean autosostenibles y sensibles a estímulos mecánicos fundamentales que se encuentran en la naturaleza", dijo el primer autor del estudio, Chenghai Li, candidato a doctorado en ingeniería mecánica y aeroespacial en el laboratorio de Cai.

Los investigadores imaginan que estos materiales podrían usarse como sensores mecánicos para medir la presión, la tensión o el estrés. Otras aplicaciones potenciales incluyen robótica blanda y dispositivos biomédicos que utilizan señales luminosas para realizar tratamientos o liberación controlada de fármacos.

Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer antes de que estas aplicaciones puedan realizarse. Los investigadores están trabajando para seguir mejorando y optimizando los materiales.

El estudio se publicó el 20 de octubre en Science Advances: Ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites

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