Pensándolo bien...
La biomimésis, o bioimitación, es una disciplina cuya finalidad es, el estudio de cómo se pueden imitar los procesos naturales, incluyendo los que tienen lugar en el mundo vegetal, mediante desarrollos basados en nuevas tecnologías.
Las hojas de loto tienen superficies extremadamente hidrofóbicas que repelen el agua, manteniéndose limpias y secas. Esta propiedad ha sido imitada para crear superficies autolimpiantes y resistentes al agua en textiles, pinturas y revestimientos de vidrio, utilizando nanotecnología para replicar la estructura de la superficie de las hojas de loto. La planta “mimosa púdica”, cierra sus hojas rápidamente en respuesta al tacto. Se han desarrollado materiales y dispositivos que reaccionan al estímulo externo, como presión o electricidad, para aplicaciones en robótica blanda y dispositivos médicos. Las plantas tienen estructuras especializadas para transportar agua y nutrientes a lo largo de grandes distancias. Los principios de transporte de fluidos en las plantas se han aplicado en la ingeniería de sistemas de microfluídica, utilizados en laboratorios que desarrollan chips y en sistemas de diagnóstico médico para mover pequeñas cantidades de fluidos con precisión. El bambú es conocido por su combinación de ligereza y resistencia. El diseño estructural del bambú ha inspirado la creación de materiales de construcción y componentes arquitectónicos que son fuertes pero ligeros, mejorando la eficiencia y sostenibilidad en la construcción. Las estructuras microscópicas en pétalos y hojas optimizan la captura y difusión de la luz solar. La estructura de las hojas y pétalos ha inspirado el diseño de paneles solares más eficientes, que pueden capturar y utilizar la luz solar de manera más efectiva. Las plantas del desierto tienen mecanismos para minimizar la pérdida de agua y controlar su temperatura. Se han desarrollado materiales que imitan estos mecanismos para enfriar edificios y dispositivos sin necesidad de energía adicional, mejorando la eficiencia energética. Las plantas trepadoras y las hiedras utilizan pequeñas ventosas o raíces adherentes para sujetarse a superficies verticales. Estas estructuras han inspirado el desarrollo de adhesivos y materiales de sujeción que pueden fijarse a superficies rugosas y lisas con gran fuerza, utilizados en industrias como la construcción y la robótica. Los cactus tienen la capacidad de almacenar grandes cantidades de agua en sus tejidos para sobrevivir en ambientes áridos. Esta capacidad ha inspirado el diseño de sistemas de captación y almacenamiento de agua eficientes, como tanques y estructuras que pueden recolectar y conservar agua de lluvia para su uso en regiones secas. Los manglares tienen la capacidad de filtrar la sal del agua de mar a través de sus raíces. Los procesos biológicos de los manglares han inspirado tecnologías avanzadas de desalación que utilizan membranas especiales y procesos de filtración para convertir agua de mar en agua dulce. Los árboles de hojas caducas pierden sus hojas en invierno para dejar pasar más luz y las recuperan en verano para proporcionar sombra. Esta estrategia se ha aplicado en el diseño de edificios y estructuras arquitectónicas que utilizan sistemas de persianas y techos ajustables para controlar la cantidad de luz y sombra que entra, mejorando la eficiencia energética. Muchas plantas desarrollan espinas o sustancias tóxicas para protegerse de los herbívoros. Inspirados por estas plantas, se han creado materiales de seguridad como revestimientos anti-vandalismo y materiales resistentes a la manipulación que protegen objetos y estructuras. Algunas flores, como los girasoles, siguen el movimiento del sol para maximizar la captación de luz. Esta característica ha inspirado el diseño de paneles solares que siguen el movimiento del sol, aumentando su eficiencia al capturar la máxima cantidad de energía solar a lo largo del día. Las asociaciones simbióticas entre hongos y raíces de plantas (micorrizas) mejoran la absorción de nutrientes y agua. Los principios de estas asociaciones han inspirado el diseño de redes de distribución de agua y nutrientes más eficientes para la agricultura, mejorando el rendimiento de los cultivos con un uso optimizado de recursos. Algunas plantas tienen estructuras que se inflan con agua o aire para abrir flores o hojas. Este concepto ha sido aplicado en el diseño de estructuras inflables para eventos temporales, refugios de emergencia y elementos arquitectónicos que se pueden desplegar rápidamente y con facilidad. Los musgos y helechos tienen la capacidad de retener humedad en ambientes húmedos y liberarla en ambientes secos. Estos mecanismos han inspirado el desarrollo de materiales y tecnologías que regulan la humedad en interiores, mejorando el confort y la eficiencia energética en edificios.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
La naturaleza puede proporcionar soluciones innovadoras a desafíos tecnológicos y ambientales, promoviendo un enfoque sostenible y eficiente en diversas industrias. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno. Los científicos están desarrollando dispositivos que imitan la fotosíntesis para convertir la luz solar, el agua y el CO2 en combustibles químicos como el hidrógeno y metanol, lo cual podría proporcionar una fuente de energía limpia y renovable.
Desde siempre se ha pretendido desentrañar la intimidad del proceso de la fotosíntesis y lograr el conocimiento apropiado para replicarlo artificialmente. En el mundo científico se suceden los proyectos que lo pretenden. Ahora, de nuevo se insiste, con el nuevo incentivo de producir hidrógeno, en esa lucha incesante por conseguir combustibles inocuos, sostenibles y abundantes. Un proyecto del investigador, Schneidewind, de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, pretende utilizar un espectro de luz lo más amplio posible y emplear materiales de partida baratos, para producirlo. Se trata de lograr el desdoblamiento bifotónico del agua para la realización de fotocatálisis acoplada.
El proceso implica a varias moléculas que interactúan en las hojas de las plantas verdes. Lo primero es que tienen que ponerse en contacto, encontrarse, como condición sin equa non, para que las reacciones puedan tener lugar. De forma que las hojas artificiales deben disponer de las moléculas en las posiciones adecuadas, para que lo referido pueda tener lugar. Se emplearán polímeros que generan esa disposición como punto de partida del proceso. En el mundo natural, las plantas a partir de la luz generan compuestos azucarados gracias a la energía que aporta aquella. Elementos como magnesio, calcio y manganeso caracterizan bien el proceso con su presencia en las hojas, el objetivo es, pues, la división del agua en sus componentes, hidrógeno y oxígeno. El catalizador que se ha empleado hasta el presente ha sido el rutenio, que es un elemento raro y costoso. Ahora se quiere introducir el hierro como material alternativo, económico y abundante y fácil de obtener.
El proceso de fotosíntesis en las plantas utiliza principalmente las frecuencias de luz dentro del espectro visible, específicamente en las regiones del rojo y el azul. Luz Azul (400-500 nm): las longitudes de onda en esta región del espectro visible son absorbidas principalmente por los pigmentos fotosintéticos como la clorofila a, la clorofila b y los carotenoides. La luz azul tiene una alta energía y es efectiva en la promoción de la apertura de los estomas, la regulación del crecimiento vegetal y la síntesis de proteínas. Luz Roja (600-700 nm): las longitudes de onda en esta región son también fuertemente absorbidas por la clorofila a y b. La luz roja es crucial para la fotosíntesis porque su energía es utilizada de manera eficiente por los fotosistemas I y II en las plantas para generar ATP y NADPH, que son utilizados en el ciclo de Calvin para la síntesis de glucosa. Los pigmentos fotosintéticos Clorofila a, absorbe principalmente luz en las regiones del azul (aproximadamente 430 nm) y del rojo (aproximadamente 662 nm). Es el pigmento principal en el centro de reacción de los fotosistemas. La clorofila b: absorbe luz en la región del azul (aproximadamente 453 nm) y del rojo (aproximadamente 642 nm). Ayuda a complementar la absorción de luz de la clorofila a y transfiere la energía a esta. Los Carotenoides absorben principalmente en la región del azul y verde (400-500 nm). Protegen a las plantas de la fotooxidación y también transfieren energía a la clorofila a.
En resumen, la fotosíntesis utiliza principalmente las longitudes de onda de luz azul y roja dentro del espectro visible. Estos rangos de frecuencia son absorbidos por los pigmentos fotosintéticos para convertir la energía luminosa en energía química, que es esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas.
Ahora se pretende ampliar el espectro de luz que sirve de fuente de energía durante la reacción. Se pretende utilizar sistemas en los que el agua fluya a través de películas de polímero situadas detrás de un cristal y expuestas a la luz solar. Entonces sólo habría que recoger el hidrógeno que se emita.
La cuestión es que por muchos adelantos tecnológicos que consideremos las plantas tienen en su haber una práctica de unos tres mil millones de años, que es cuando se cifra que los organismos unicelulares desarrollaron el sistema fotosintético para utilizar la energía, que ha resultado ser uno de los mecanismos más eficientes conocidos. No se trata de que llegamos tarde, sino cuando hemos logrado estar dispuestos para abordarlo con probabilidades de éxito. Queda camino por recorrer, aunque cada vez, estamos más cerca.
Sopa de letras: BIOMIMÉSIS
Soluciones: EL PRONÓSTICO DE LA EVOLUCIÓN