Purpurina biodegradable y microalgas contaminantes: los nuevos materiales inspirados en la naturaleza

La iridiscencia de las bayas de mármol y las perforaciones inteligentes y ligeras de las microalgas son algunas lecciones de la naturaleza que los científicos están aprovechando para crear purpurina biodegradable y pigmentos de maquillaje, y algas biónicas para usar en láseres o para limpiar contaminantes.

purpurina
Juliano Costa/Wikimedia

La naturaleza ha pasado millones de años desarrollando respuestas a problemas. Ha ideado soluciones ingeniosas para construir estructuras fuertes, recolectar energía y producir colores iridiscentes. Los científicos recurren cada vez más al mundo natural en busca de inspiración para crear materiales y tecnologías nuevos y más ecológicos.

En el laboratorio de Silvia Vignolini en la Universidad de Cambridge, Reino Unido, los científicos están diseñando purpurina biodegradable y tintes naturales para colorantes alimentarios y cosméticos como parte de un proyecto llamado PlaMatSu.

Para ello, utilizan celulosa, una fibra natural que da fuerza y ​​rigidez a árboles y plantas. Es de lo que hacemos papel. "Es el material más abundante que tenemos en el planeta", afirma Vignolini. "Todo el mundo piensa en su fuerza, pero no todo el mundo sabe que se puede utilizar celulosa para fabricar pigmentos".

La celulosa pura es blanca como la nieve. Para crear colores, Vignolini talla pequeñas formas de celulosa de las que la luz rebota como colores brillantes, algo llamado color estructural.

"Al estructurar el material a nanoescala, la luz interactúa con él de una manera que crea color", expone Vignolini. Estamos más familiarizados con este fenómeno de lo que nos imaginamos: piense en los matices que generan las pompas de jabón al doblar la luz o las coloridas alas de una mariposa. En estos ejemplos, el color cambia según el ángulo de visión.

Vignolini se inspiró en los colores iridiscentes del mundo natural causados ​​por la estructura de un material en lugar de la presencia de pigmentos. El fruto azul metálico brillante de la baya de mármol (condensado de Pollia) es uno de los ejemplos más llamativos que ha estudiado Vignolini, con reflectancia del color que cambia entre las células y le da a la fruta un aspecto brillante. Un ejemplo diferente es el escarabajo Cyphochilus, que descubrió que es más blanco que el papel gracias a escamas ultrafinas que desvían todos los colores.

 

Color estructural

El laboratorio de Vignolini ha utilizado color estructural para fabricar pigmentos y purpurina totalmente biodegradables, que podrían usarse en maquillaje o confeti, por ejemplo. La purpurina convencional está hecha de micropartículas de polímero, mientras que la purpurina del Dr. Vignolini está hecha solo de celulosa de forma especial.

“Está hecho del mismo material que se encuentra en cada pared celular de las plantas. Hace el 40% de una ensalada ", dice la experta sobre su brillo. "No es dañino si se dispersa en el medio ambiente, y también es comestible".

 

Colabora con empresas de cosméticos para generar pigmentos biodegradables a base de plantas, incluso para el maquillaje y el cuidado de la piel.

También trabaja en nuevos colorantes alimentarios estructurales a partir de desechos orgánicos, ya que la industria alimentaria está trabajando para reemplazar los colorantes sintéticos. "Podemos utilizar los restos de los procesos de fabricación de papel o los desechos agrícolas, como la cáscara de mango o plátano, que es rica en celulosa, y luego utilizarla para hacer la coloración", aduce Vignolini.

Otros en la red PlaMatSu están mirando más allá del color para implementar ideas de superficie extraídas de la naturaleza. Los equipos de la Universidad de Friburgo, Alemania, y la Universidad de Friburgo, Suiza, están analizando cómo las superficies rugosas de las plantas disuaden a los insectos. Podrían fabricar materiales biodegradables que podrían rociarse para evitar que los insectos se alimenten de un cultivo o paredes para disuadirlos.

Para el profesor Gianluca Maria Farinola de la Universidad de Bari, Italia, un químico sintético, las hermosas estructuras manipuladoras de luz de pequeñas algas llamadas diatomeas tienen muchos usos posibles.

Ha investigado moléculas y nanoestructuras para tecnologías LED, células solares y dispositivos ópticos. Mientras enseñaba a estudiantes de ciencias ambientales de pregrado, se encontró con diatomeas. Se inspiró para crear algas biónicas que pueden manipular la luz para tecnologías láser o para administrar medicamentos.

 

Diatomeas

Las diatomeas son algas unicelulares, cada una encerrada en sílice, su propia casa de cristal. Estos pueden tener forma de abanico o de varilla, en zigzag, circular o triangular. "Son hermosos objetos naturales que han inspirado a artistas, diseñadores de moda y arquitectos", expone Farinola. Se encuentran en mares, lagos y estanques y fabrican al menos el 20% del oxígeno que respiramos.

"Las especies más grandes se pueden ver a simple vista, pero solo como pequeños puntos", continúa Farinola. "No se puede apreciar la belleza de su forma y estructura".

Bajo un microscopio, puede ver sus casas de vidrio llenas de poros o con una variedad de crestas y elevaciones. Estas marcas les ayudan a enfocar las mejores longitudes de onda de luz en la célula para la fotosíntesis, mientras dispersan o filtran las longitudes de onda dañinas. Los convierte en estructuras fotónicas naturales, lo que significa que son capaces de manipular la luz.

"Los cristales fotónicos se utilizan mucho en tecnologías láser", dijo el profesor Farinola, y cree que las diatomeas pueden inspirarnos a crear nuevas tecnologías fotónicas que podrían ser para detección de luz, informática o robótica, por ejemplo.

 

Como parte de la red BEEP que explora materiales de recolección solar bioinspirados, el profesor Farinola está contratando a un estudiante de doctorado para estudiar la fotosíntesis de diatomeas y crear una diatomea biónica con una pieza adicional de equipo de recolección de luz: ciertas moléculas.

"Incorporamos moléculas que cubren una gama de longitudes de onda que la diatomea no absorbe naturalmente", asegura Farinola. Esto actúa como una antena artificial para absorber luz adicional y sobrecargar la fotosíntesis. Esto debería impulsar el crecimiento de diatomeas en un tanque de agua de mar.

La investigación del profesor Farinola puede ver el cultivo de diatomeas especiales para administrar medicamentos. Su laboratorio en Bari puede modificar sus invernaderos después de retirar la celda del interior o adjuntar una sustancia a la comida de diatomeas para introducirla dentro de la cáscara. Su grupo ya unió moléculas antioxidantes en las conchas de las diatomeas que luego engancharon el antibiótico ciprofloxacina, que potencialmente podría administrarse dentro de un paciente.

En otro ejemplo, las diatomeas vivas tomaron bifosfonatos, que es un fármaco bien conocido por mejorar el estado óseo en pacientes con osteoporosis. "Luego eliminamos toda la materia viva y nos queda sílice con bisfosfonato", confirma Farinola. Él prevé cubrir un implante con estas cubiertas de sílice para estimular el crecimiento óseo después de la cirugía, aunque esto aún no se ha probado en pacientes.

Su equipo también está estudiando cómo se podría usar la sílice de las conchas de diatomeas para limpiar diferentes contaminantes del medio ambiente. Los investigadores cubrieron las cáscaras de diatomeas muertas con un polímero especial (polidopamina) y pegaron enzimas que, en principio, podrían usarse para descomponer contaminantes, sostiene el experto.

Al reunir a biólogos, expertos en algas, físicos, químicos sintéticos e investigadores emergentes, BEEP tiene como objetivo explorar cómo los microorganismos pueden ayudarnos a generar nuevas tecnologías.

"Queremos traspasar la frontera entre biología, química y física en el contexto del estudio de las plantas", manifiesta Vignolini, que coordina BEEP. Considera que esta red y PlatMaSu esperan que permitan materiales nuevos y más ecológicos que satisfagan las necesidades sociales.

 

 

Artículo original

 

Continúa leyendo