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La Ciencia Basada en Software Acelera el Desarrollo de Nuevos Materiales

Durante millones de años, la naturaleza ha utilizado algunos elementos básicos para crear materiales para curarse a sí misma, cambiar sus estructuras y descomponerse al final de la vida. Ahora, un software está ayudando a los investigadores a replicar estas cualidades en materiales de ingeniería, en una fracción del tiempo y con resultados predecibles.

En la Universidad de Wake Forest en Carolina del Norte, los científicos cultivaron recientemente una oreja humana en una placa de Petri. Primero utilizaron material celular y una impresora 3D para crear el cartílago de la oreja. Luego hicieron crecer el oído, con los vasos sanguíneos necesarios para mantenerlo vivo, utilizando un material sintético diseñado para imitar la piel humana.

Oreja creada por la Universidad de Wake Forest
Oreja creada por la Universidad de Wake Forest

Este gran avance para la ciencia médica promete ayudar a las personas lesionadas en accidentes o que sufren de quemaduras graves. Pero el oído de Wake Forest también avanzó significativamente en la ciencia de los materiales de ingeniería: En muchos aspectos, los científicos produjeron la oreja de la misma manera que lo hace la naturaleza, primero cultivando un molde de material rígido y luego dando instrucciones al material sintético de la piel para que se ensamble en respuesta a varios desencadenantes químicos.

Para aquellos que trabajan en la ciencia de los materiales, la combinación de materiales orgánicos y sintéticos, la impresión en 3D y el crecimiento natural, todo ello organizado por un conjunto de instrucciones codificadas como el ADN humano, es la consecución de un objetivo a largo plazo. Pero los usos potenciales de los materiales de ingeniería van mucho más allá del mundo de la medicina.

Una amplia gama de industrias de fabricación de alta tecnología está creando una demanda de materiales hechos a medida que pueden ser diseñados para ofrecer un nivel de rendimiento específico que los materiales existentes simplemente no pueden igualar. Y ahora la ciencia de los materiales y la informática se están uniendo para ayudar a los investigadores a responder a la llamada, de forma rápida y sostenible.

Las creaciones de la humanidad requieren enormes cantidades de energía y generan enormes cantidades de residuos. Piense en los escombros generados durante la construcción de un nuevo rascacielos o en la energía consumida en la fabricación de un producto. Por el contrario, la naturaleza crea nuevos organismos con un mínimo de energía y residuos, los optimiza para sus entornos y los hace totalmente reciclables. Si podemos extraer pistas de la naturaleza, podemos posicionarnos mejor para resolver la mayoría de los problemas de sostenibilidad causados por el hombre que amenazan nuestro planeta y proporcionar abundancia a una población en rápido crecimiento.

Por supuesto, la naturaleza tardó 4 mil millones de años en desarrollar materiales asombrosos como madera y conchas de langosta a través del dolorosamente lento proceso de prueba y error de la evolución. Obviamente, no es práctico esperar 4 mil millones de años para desarrollar los nuevos materiales que pueden ayudar a la humanidad a ser menos derrochadora. En cambio, los científicos han creado software que imita la evolución en un entorno virtual, un proceso que llamamos “in silico” porque las simulaciones ocurren en un ordenador. En lugar del largo método de prueba y error que prueba miles de combinaciones posibles en un laboratorio y descarta lo que no funciona, las sofisticadas capacidades de aprendizaje automático del software identifican las combinaciones más prometedoras para un propósito específico en cuestión de minutos.

La naturaleza nos ha dado el plano; la confluencia de la supercomputación y la ciencia de datos nos ha dado los medios para acelerar el proceso y dirigirlo hacia un conjunto de características predefinidas. Juntos, los científicos de materiales del Instituto de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech) y los expertos de Dassault Systèmes se han unido para hacer posible esta nueva ciencia.

Una de las maravillas de la naturaleza es que construye millones de diferentes configuraciones de moléculas y sistemas de materiales asociados a partir de sólo cuatro elementos primarios: carbono, hidrógeno, nitrógeno y sulfato. La naturaleza combina estos elementos para crear 20 aminoácidos. A partir de este pequeño conjunto de herramientas, diseña más de 100.000 proteínas diferentes, que ensambla en millones de formas de vida muy variadas con miles de millones de características únicas.

Al estudiar cómo la naturaleza ensambla sus organismos, los científicos están aprendiendo a diseñar nuevos materiales con características similares a partir de estos mismos componentes básicos. Por ejemplo, los científicos han estado fascinados durante mucho tiempo por el pepino de mar, un animal marino que cambia su piel correosa de suave a dura en respuesta a los cambios de temperatura y acidez de su ambiente oceánico. Ahora, un laboratorio del gobierno de los Estados Unidos está trabajando para imitar esta capacidad en el diseño de aviones, permitiendo que las alas de un avión sean rígidas para despegues y aterrizajes, y luego se vuelvan más flexibles cuando se encuentre con turbulencias. El aumento de la flexibilidad de las alas permitirá que la aeronave se deslice suavemente a través del aire áspero, mejorando el confort de los pasajeros.

Otra cualidad común de los materiales naturales es la autocuración. Cuando se rompe un hueso y se inflama, en reacción, el cuerpo envía sangre y células madre al sitio de la fractura, coloca un compuesto llamado callo y comienza el proceso de curación. Del mismo modo, los científicos han creado materiales sintéticos con un sistema vascular que bombea agentes “curativos” a las partes dañadas del material. Fluidos como la resina y un endurecedor, que reaccionan cuando se mezclan, sellan automáticamente las grietas para realizar la reparación.

Cada vez más, las potentes tecnologías informáticas junto con el aprendizaje automático están ayudando a los científicos a descubrir y crear nuevos materiales en meses o años, no en siglos. La humanidad y la naturaleza son los claros beneficiarios de este gran avance.

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