En el año 59 a. C., Julio César, futuro dictador de Roma, le regaló a su amante favorita Servilia un pendiente de perla negra de tal tamaño y brillo que muchos escritores romanos de la época lo narraron.
Se dice que César pagó seis millones de sestercios (cientos de millones de dólares en la actualidad) por la gema, convirtiéndola en una de las muestras de afecto más extravagantes que el mundo haya visto jamás. Aunque el costo fue excepcional, su regalo de una perla no lo fue. Después de todo, las perlas eran la piedra angular del poder político y económico de la antigua Roma.
Desde entonces, las imitaciones más baratas y los métodos modernos de cultivo han disminuido considerablemente el valor de las perlas naturales. Pero el nácar, la sustancia brillante que utilizan los moluscos para revestir su caparazón, está volviendo a ser apreciada, esta vez en la ciencia de los materiales.
Sobre el apoyo al periodismo científico
Si está disfrutando de este artículo, considere apoyar nuestro periodismo galardonado suscribiéndose. Al comprar una suscripción, ayudas a garantizar el futuro de historias impactantes sobre los descubrimientos y las ideas que dan forma a nuestro mundo actual.
La arquitectura interna a nanoescala del nácar es muy prometedora para los investigadores que se apresuran a crear materiales inspirados en la naturaleza para una transición a energías limpias sin coste para la Tierra.
Cerámica Natural
El nácar es una cerámica natural; sus bloques de construcción inorgánicos se disponen en una ordenada forma geométrica. La cerámica sintética se ha convertido en la base de la vida moderna y ahora se encuentra en todo, desde prótesis de cadera hasta carcasas de teléfonos móviles. Las denominadas cerámicas avanzadas no sólo son resistentes, sino que son inertes y capaces de resistir el desgaste, la corrosión y las altas temperaturas, lo que las hace extremadamente útiles. Pero como sabe cualquiera que haya dejado caer una taza, la cerámica también es quebradiza y propensa a romperse.
Las perlas, por otro lado, son producidas por moluscos de cuerpo blando como reacción a un irritante que ha entrado en su caparazón. Como parte de una respuesta inmune, el molusco secreta nácar y recubre la partícula hasta que se vuelve suave y relativamente redonda. Es fácil entender por qué los romanos quedaron cautivados; la sustancia parece capturar la luz y dispersarla en un brillo apagado de iridiscencia, un efecto causado por capas cristalinas que son aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda de la luz visible. Las ondas de luz entrantes se refractan e interfieren entre sí cuando rebotan en la estructura interna. Pero no es su belleza lo que cautiva a los científicos de materiales.
“Cuando empezamos a observar la microestructura de estos materiales naturales, como el hueso y el nácar, descubrimos que son muy, muy resistentes”, dice Eduardo Gutiérrez, director del Centro de Cerámica Estructural Avanzada del Imperial College de Londres. En el campo de Gutiérrez, fuerza y dureza significan cosas muy diferentes. La tenacidad se refiere a cuánta energía puede absorber un material al deformarse plásticamente, mientras que la resistencia mide cuánta fuerza puede resistir un material antes de ceder.
La cerámica pura es fuerte pero quebradiza. El nácar es a la vez fuerte y resistente. “Aunque las células del nácar son esencialmente cerámicas en un 99 por ciento en volumen, es resistente a la propagación de grietas. Y tiene una microestructura muy interesante”, dice Gutiérrez.
En concreto, el nácar está compuesto por cristales hexagonales de aragonita, una especie de carbonato cálcico que también se ve en la piedra caliza y que se forma precisamente en capas superpuestas que se asemejan a la estructura de ladrillo y mortero de los edificios. Las capas se superponen desalineadas, de modo que las uniones entre cristales individuales, o “ladrillos”, no se alinean, lo que aumenta el número de enlaces de hidrógeno en la estructura general y le confiere fuerza. Pero mientras que la piedra caliza es quebradiza y opaca, la dureza del nácar y sus propiedades de flexión de la luz provienen de proteínas similares a la seda que se entrelazan entre las capas, manteniéndolas en su lugar y al mismo tiempo proporcionando suficiente elasticidad para absorber el impacto de una fractura. De hecho, el nácar es aproximadamente 3000 veces más duro que sus componentes básicos de carbonato de calcio.
Hasta hace poco, la forma en que estos diferentes elementos interactuaban a nanoescala durante la formación de grietas era un misterio. Pero la microscopía electrónica y otras herramientas novedosas han ampliado enormemente nuestra comprensión de la composición del nácar, revelando que las capas de carbonato de calcio son excepcionalmente delgadas, con “ladrillos” de cristal individuales entrelazados en forma de cola de milano que aumenta la fricción en el sistema y resiste las fuerzas horizontales. Lo que es aún más impresionante es que, cuando se estiran esos polímeros parecidos a la seda, dice Gutiérrez, “tienen un comportamiento particular: se vuelven más rígidos”.
Nácar Sintético
Pero incluso con una microscopía electrónica cada vez más detallada, el nácar ha resultado muy difícil de fabricar sintéticamente. “El nácar es 99 por ciento cerámico; es cierto”, dice Gutiérrez. “Pero ese 1 por ciento de pegamento orgánico es fundamental. Es difícil tejer en la formación correcta para replicar esa estructura”.
Para usos estructurales modernos de alto rendimiento, una réplica exacta de nácar podría incluso ser indeseable porque esas proteínas de seda orgánica perderían su estructura a altas temperaturas. Es por eso que muchos científicos materiales están intentando replicar la arquitectura interna del nácar con diferentes bloques de construcción. Los investigadores están probando algunas de estas cerámicas adyacentes al nácar en plantas de reactores nucleares de próxima generación, donde una alta resistencia a la fractura es esencial para evitar fallas catastróficas bajo estrés térmico extremo.
Sin embargo, hay otro problema con estas cerámicas: su fabricación requiere mucha energía. La industria cerámica tiene enormes emisiones de carbono porque los materiales se fabrican a temperaturas y presiones muy altas. La naturaleza, sin embargo, puede producir estos compuestos cerámicos a temperatura cercana a la ambiente.
Por ello, Shu Yang, de la Universidad de Pensilvania, aborda la producción de cerámica de forma muy diferente. En lugar de cocer alúmina u otros compuestos inorgánicos bajo presión, crea estructuras orgánicas a partir de las cuales cultivar cerámica, imitando la forma en que se forma el hueso en el cuerpo humano. El hueso tiene una estructura fuerte pero liviana en forma de panal a la que se unen los minerales. La versión de Yang tiene un marco de andamio impreso en 3D, que luego se sumerge en una capa de polímero.
“El material resultante es muy poroso y, por lo tanto, muy liviano, pero podemos distribuir la tensión diseñando el andamio para disipar la energía”, dice Yang. Esto lo hace perfecto para usos como parachoques de automóviles o equipos de protección personal.
La investigación bioinspirada de Yang sobre materiales estructurales de alto rendimiento podría transformar la forma en que fabricamos hormigón y corales artificiales, que son estructuras cerámicas. “Antes imitaba la naturaleza porque parece interesante”, dice. “Ahora, en esta etapa de mi carrera, necesito pensar en el impacto social. ¿Lo que creo realmente daña la naturaleza o se biodegradará?”
El diseño de materiales ha cambiado como ciencia: un mundo digital totalmente mecanizado exige materiales que se ajusten a especificaciones precisas. Pero donde antes los ingenieros podían utilizar cualquier materia prima a su disposición para fabricar piezas con capacidades estructurales casi sobrenaturales, la crisis climática exige un cambio de estrategia. Los investigadores no sólo deben imitar lo que la evolución ha logrado producir, sino también copiar los métodos de la naturaleza y utilizar suministros renovables para construir los materiales del mañana. Así que incluso una criatura aparentemente tan simple como un molusco todavía tiene mucho que enseñarnos sobre cómo construir nuestro mundo.