Reforzando el hielo con diminutos cristales de origen vegetal y una proteína especialmente diseñada, los investigadores crearon un material que rivaliza con el hormigón en resistencia y absorbe 70 veces más energía antes de romperse.
El hielo es barato, abundante y sorprendentemente fuerte. Pero tiene una gran debilidad: las grietas pueden atravesarlo, haciendo que se rompa sin previo aviso.
Ahora, los científicos han desarrollado un nuevo material que podría superar ese problema. Llamado BioPykrete, el hielo reforzado es unas 10 veces más fuerte que el hielo ordinario y puede absorber aproximadamente 70 veces más energía antes de romperse.
En lugar de romperse de repente, se dobla y rompe más gradualmente, una cualidad que algún día podría ser útil como material de construcción en algunos de los lugares más fríos de la Tierra.
La investigación fue dirigida por el profesor Ido Braslavsky de la Facultad de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente de la Universidad Hebrea.
Construyendo un tipo de hielo más fuerte
La idea de reforzar el hielo no es nueva. Durante la Segunda Guerra Mundial, los investigadores experimentaron con el Pykrete, una mezcla de hielo y pulpa de madera que era más fuerte y lenta en derretirse que el hielo común.
El equipo llevó esa idea al nivel molecular.
Mezclaron hielo con nanocristales de celulosa, partículas extremadamente pequeñas y rígidas hechas de celulosa, el material natural que da estructura a las plantas. A medida que la mezcla se congelaba, las partículas formaron una red tridimensional alrededor de secciones microscópicas de hielo.
Los científicos diseñaron entonces una proteína que pudiera adherirse a ambos materiales. Una parte de la proteína se une al hielo, mientras que la otra se une a la celulosa. Actuando como un pegamento molecular, la proteína ayuda a mantener unida toda la estructura.
“Queríamos ir más allá de simplemente mezclar fibras con hielo y en cambio controlar cómo se conectan los diferentes materiales a nivel molecular. El resultado cambia no solo la resistencia del hielo, sino también cómo se rompe. En lugar de romperse de repente, puede absorber mucha más energía y deformarse gradualmente”.
Prof. Ido Braslavsky
Universidad Hebrea de Jerusalem
Evitar que pequeñas grietas se conviertan en grandes
En el hielo común, incluso una grieta diminuta puede propagarse rápidamente y hacer que toda la estructura falle. En BioPykrete, la red de celulosa y las conexiones proteicas parecen ralentizar esas grietas e impedir que se muevan libremente. Una vez que una grieta comienza a propagarse a través del hielo, se encontrará con la red de celulosa que actúa como obstáculo para una mayor propagación.
El pegamento molecular, una proteína quimérica con un dominio que une el hielo y otro que une la celulosa, ancla la red de celulosa al hielo. Este anclaje aumenta la energía necesaria para deformar o desgarrar la red, convirtiéndola en una barrera más eficaz para la propagación de grietas. Como resultado, el crecimiento de grietas se detiene o redirige, ayudando a mantener las grietas pequeñas y confinadas.
Las pruebas de laboratorio demostraron que BioPykrete era aproximadamente 10 veces más resistente bajo compresión que el hielo puro, alcanzando niveles de resistencia similares a los del hormigón convencional. También absorbía alrededor de 70 veces más energía antes de fallar.
La proteína modificada jugó un papel importante: añadirla duplicaba tanto la resistencia como la energía que el material podía absorber en comparación con una mezcla similar de hielo y celulosa que no contenía el puente molecular.
¿Podríamos algún día construir con él?
Los investigadores imaginan que BioPykrete se utiliza principalmente en regiones árticas y antárticas, donde transportar hormigón, acero y otros materiales de construcción puede ser costoso y difícil.
Dado que el material está compuesto principalmente por hielo y celulosa de origen vegetal, podría proporcionar potencialmente una alternativa biodegradable y con menor huella de carbono para ciertas estructuras en condiciones de frío extremo.
Pero nadie construirá viviendas con BioPykrete todavía. El material sigue siendo una prueba de concepto y debe someterse a pruebas adicionales. Los científicos deben aprender cómo funciona durante largos periodos, cómo responde a congelaciones y descongelaciones repetidas, y si cambia de forma lentamente bajo presión constante.
Estudios futuros también examinarán cómo las grietas atraviesan el material y probarán nuevas proteínas y métodos de congelación que podrían hacer que este “superhielo” sea aún más fuerte.
El trabajo de investigación “Biomimetic engineering of a fortified ice composite with enhanced mechanical properties”, está disponible en Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
