Los científicos llevan mucho tiempo sospechando que la disposición de las hifas en los hongos es la clave para comprender y controlar su resistencia.
Si compras un champiñón en el supermercado, se aplasta fácilmente entre los dedos. Si arrancas un hongo leñoso del tronco de un árbol, te costará mucho romperlo. Ambos extremos crecen a partir de los mismos componentes microscópicos: las hifas, tubos finísimos compuestos principalmente de quitina, un polímero natural, un compuesto resistente que también se encuentra en los caparazones de los cangrejos.
A medida que estos tubos se ramifican y entrelazan, forman una red ligera pero sorprendentemente resistente llamada micelio. Los ingenieros están empezando a investigar esta red para su uso en materiales ecológicos.
Sin embargo, incluso dentro de una misma familia de hongos, la resistencia de la red de micelio puede variar considerablemente. Los científicos llevan mucho tiempo sospechando que la disposición de las hifas, no solo de qué están hechas, es la clave para comprender y, en última instancia, controlar su resistencia. Pero hasta hace poco, las mediciones que vinculan directamente la disposición microscópica con la resistencia eran escasas.
Soy estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en la Universidad de Binghamton y estudio estructuras de inspiración biológica. En nuestra última investigación, mis colegas y yo nos planteamos una pregunta sencilla: ¿Podemos ajustar la resistencia de un material similar a un hongo simplemente modificando el ángulo de sus filamentos, sin añadir ingredientes más resistentes? La respuesta es sí.
Dos especies comestibles, muchas pruebas diminutas
En nuestro estudio, mi equipo comparó dos hongos conocidos. El primero fue el champiñón blanco, cuyo tejido utiliza únicamente filamentos finos llamados filamentos generativos. El segundo fue el maitake, también llamado gallina de los bosques, cuyo tejido se mezcla con un segundo tipo de hifas más gruesas llamadas filamentos esqueléticos. Estos filamentos están dispuestos aproximadamente en paralelo, como haces de cables.
Tras secar suavemente los sombreros y los tallos para eliminar el agua, que puede ablandar el material y distorsionar los resultados, los analizamos con microscopios electrónicos de barrido y analizamos las muestras a dos escalas muy diferentes.
Primero, probamos la compresión a macroescala. Un pistón motorizado aplastaba lentamente cada hongo mientras sensores registraban la fuerza con la que la muestra se retraía, de la misma forma que se aplasta un malvavisco, solo que con precisión de laboratorio.
Luego, presionamos una punta de diamante más delgada que un cabello humano contra cada filamento para medir su rigidez.
Los filamentos blancos del hongo se comportaban como gomas elásticas, con una rigidez promedio de unos 18 megapascales, similar a la del caucho natural. Los filamentos esqueléticos más gruesos del maitake medían alrededor de 560 megapascales, más de 30 veces más rígidos y cercanos a la rigidez del polietileno de alta densidad, el plástico rígido utilizado en tablas de cortar y algunas tuberías de agua.
Pero la química es solo la mitad de la historia. Al apretar trozos enteros, la dirección de la presión era aún más importante para el maitake. Presionar en línea con sus filamentos esqueléticos paralelos hacía que el bloque fuera 30 veces más rígido que presionar a lo largo de la veta. En contraste, los filamentos enredados de los hongos blancos se sentían igual de suaves desde todos los ángulos.
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Un hongo digital y el retorcimiento de los hilos
Para separar la geometría de la química, convertimos imágenes del microscopio en un modelo informático utilizando una red de Voronoi 3D, un patrón que imita las paredes entre las burbujas de una espuma. Imaginemos pelotas de ping-pong metidas en una caja: cada pelota es una célula, y las paredes entre las células se convierten en nuestros filamentos simulados.
Asignamos esos filamentos según los valores de rigidez medidos en el laboratorio y luego rotamos virtualmente toda la red a ángulos de 0 grados, 30 grados, 60 grados, 90 grados y de forma completamente aleatoria.
Los filamentos horizontales (0 grados) se flexionaban como un colchón de muelles. Los filamentos verticales (90 grados) soportaban el peso casi con la misma firmeza que la madera densa. Simplemente inclinar la red a 60 grados casi duplicó su rigidez en comparación con 0 grados, todo ello sin cambiar un solo componente químico.
Básicamente, descubrimos que la orientación por sí sola podía convertir una esponja blanda en algo resistente a altas presiones. Esto sugiere que los fabricantes podrían crear piezas resistentes, ligeras y biodegradables, como plantillas de zapatos, embalajes protectores e incluso paneles interiores de coches, simplemente controlando el crecimiento de un hongo en lugar de añadir aditivos más duros.
Materiales más ecológicos y más allá
Las startups ya cultivan “cuero” a partir de micelio (la red filiforme de los hongos) para bolsos, y espuma de micelio como sustituto del poliestireno.
Guiar a los hongos para que coloquen sus filamentos en direcciones estratégicas podría mejorar considerablemente el rendimiento, abriendo puertas en sectores donde la relación resistencia-peso es fundamental: por ejemplo, núcleos de artículos deportivos, paneles de aislamiento para edificios o rellenos ligeros para paneles de aeronaves.
El mismo conjunto de herramientas digitales también funciona para redes de metal o polímero impresas capa a capa. Intercambie las propiedades del filamento en el modelo, deje que el algoritmo elija los mejores ángulos y luego introduzca ese diseño en una impresora 3D.
Nuestro siguiente paso es alimentar miles de estas redes virtuales a un modelo de aprendizaje automático para que pueda predecir, o incluso inventar, la disposición de los filamentos que alcancen una rigidez específica en cualquier dirección.
Mientras tanto, los biólogos exploran métodos de bajo consumo energético para que los hongos reales crezcan en filas ordenadas, desde dirigir los nutrientes hacia un lado de una placa de Petri hasta aplicar campos eléctricos suaves que estimulan la alineación de los filamentos.
Este estudio nos enseñó que no siempre se necesita química exótica para crear un mejor material. A veces, todo se reduce a cómo alinear los mismos hilos de siempre; pregúntenle a un hongo.
*Mohamed Khalil Elhachimi es Estudiante de doctorado en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Binghamton, en Nueva York.
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