Diseño de materiales y la experiencia de las telas de araña

La fortaleza de las telas de araña no depende del material sino del diseño

Aunque los investigadores han sabido durante mucho tiempo de la increíble fuerza de la tela de araña, la robustez de los pequeños filamentos no puede explicar, por sí sola, cómo sobrevive a las gotas de lluvia y los vientos que superan la categoría de huracán. Ahora, un estudio que combina las observaciones experimentales de las telas de araña con simulaciones complejas por ordenador, ha demostrado que la durabilidad de la tela no sólo depende de la fuerza de seda, sino en cómo su diseño compensa el daño.

En el estudio, publicado en la revista ‘Nature’, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, y el Politécnico di Torino, en Italia, muestran cómo el diseño de la tela de araña hace frente a la tensión y el daño.

“Varios grupos de investigación han estudiado la compleja estructura jerárquica de la seda de la tela de araña, y su increíble fuerza, extensibilidad y resistencia”, explica Markus Buehler, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en el MIT, “pero, si bien entendemos el comportamiento peculiar de la seda a nanoescala, tenemos poca información sobre cómo la estructura molecular de la seda mejora el rendimiento de la tela”.

Las telas de araña situadas en jardines y garajes están hechas de múltiples tipos de seda, pero la seda viscosa y la seda de arrastre son las más relevantes para la integridad de la tela. La seda viscosa es elástica, húmeda y pegajosa, y crece en espiral desde centro de la red, su función principal es capturar a las presas. Por otro lado, la seda de arrastre es dura y seca, y sirve para asegurar los hilos que irradian hacia fuera, desde el centro de la red, proporcionando el soporte estructural, esta seda es crucial para el comportamiento mecánico de la web.

Algunos de los trabajos anteriores Buehler han demostrado que la seda de arrastre se compone de un conjunto de proteínas con una estructura molecular única que le da fuerza y ??flexibilidad. “A pesar de la resistencia y dureza de la seda ha sido medida anteriormente -es más fuerte que el acero y más resistente que el Kevlar- las ventajas de la seda dentro de una red, más allá de estas medidas, se desconocían”, añade Buehler.

Las arañas comunes estudiadas en la investigación tejieron redes siguiendo patrones en espiral sobre el andamiaje de filamentos; la construcción de cada red requiere una energía que la araña no puede permitirse gastar a menudo, por lo que su durabilidad es clave para la supervivencia del arácnido. A través de una serie de modelos informáticos creados para combinar con los experimentos de laboratorio con las telas de araña, los investigadores fueron capaces de separar los factores que ayudan a la red a soportar las amenazas naturales localizadas (como una rama que cae sobre un filamento) o distribuidas (como los vientos fuertes).

“Para nuestros modelos, utilizamos un marco de dinámica molecular en el que aumentamos el comportamiento molecular de hilos de seda a escala macroscópica; esto nos ha permitido investigar no solo los distintos casos de carga en la red, sino también localizar y visualizar la forma en la que la red se fractura en condiciones de carga extrema”, explica Anna Tarakanova, quien desarrolló los modelos informáticos junto con Steven Cranford, ambos estudiantes de posgrado en el laboratorio de Buehler.

“A través del modelado por ordenador” añade Cranford, “hemos sido capaces de crear, de forma eficaz, telas de araña sintéticas construidas a partir de sedas virtuales parecidas a materiales elásticos lineales (como la cerámica) y elásticos plásticos (que se comportan como muchos metales). Con estos modelos, pudimos hacer comparaciones entre el desempeño de la red del modelo y el desempeño observado en las redes de seda natural. Además, pudimos analizar la tela en términos de energía, y estudiar los detalles de la tensión”.

El estudio demostró que, como era de esperar, cuando cualquier parte de una red es perturbada, toda la red reacciona -esta sensibilidad es lo que alerta a la araña de que un insecto se ha quedado atrapado. Sin embargo, los filamentos radiales y espirales desempeñan diferentes papeles en la atenuación de movimiento, y cuando las tensiones son especialmente duras, son sacrificados para que toda la red pueda sobrevivir.

“El concepto de fallo selectivo y localizado de las telas de araña es interesante, ya que es un punto de partida distinto de los principios estructurales que parecen entrar en juego en muchos materiales biológicos y sus componentes”, añade Dennis Carter, que ayudó a financiar el estudio. En concreto, cuando un filamento radial en una red se engancha, la web se deforma más que cuando le ocurre a un filamento espiral, relativamente más flexible.

Según las conclusiones de los investigadores, la tela de araña se resiente cuando los filamentos son perturbados por una fuerza externa, pero, después, la red recupera su estabilidad -incluso en simulaciones con grandes fuerzas, como los vientos huracanados.

 
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