- Un nou estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) mostra que un mateix biomaterial pot “programar-se” localment per ser rígid en unes zones i flexible en d’altres, imitant una estratègia que insectes i altres artròpodes fa temps que utilitzen.
- Com a prova de concepte, descrita a la revista Journal of Materials Chemistry A, els investigadors van construir estructures articulades que combinen segments rígids i articulacions flexibles per permetre un moviment controlat dins d’una única làmina contínua.
- Inspirant-se en com la natura construeix estructures complexes a partir d’un únic material, l’enfocament podria simplificar tant la fabricació com el reciclatge. Programar localment un únic material biodegradable amb quantitats traça de metalls evita haver de produir materials diferents per a funcions diferents, i podria permetre reciclar o compostar l’objecte sencer d’un sol cop, eliminant la separació i la recuperació per separat que exigeixen avui els productes multimaterial.
Investigadors del grup de Materials i Enginyeria Biointegrats de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) han demostrat que afegir quantitats traça de diferents ions metàl·lics al quitosan permet ajustar localment la seva rigidesa, resistència o flexibilitat, sense modificar-ne la química de base. El quitosan és un biopolímer derivat de la quitina, obtingut habitualment de closques de crustacis, tot i que també es pot extreure de fongs, insectes i altres residus renovables. L’enfocament, publicat recentment a Journal of Materials Chemistry A, s’inspira en una estratègia que la natura fa servir des de fa molt de temps per explorar com un sol material sostenible podria fer la feina mecànica de diversos —com en el cas de les articulacions flexibles i les plaques rígides que formen un únic exoesquelet d’insecte—.
Programar un mateix material de diverses maneres
Els productes moderns solen fabricar-se combinant diversos materials diferents, cadascun triat per a una funció concreta: pensem en una ampolla i el seu tap, o en una carcassa rígida al voltant d’una junta flexible. Aquesta estratègia respon bé a les necessitats de rendiment a curt termini, però té un cost al final de la vida útil del producte.
i un sol material es pot programar perquè es comporti de manera molt diferent d’una zona a una altra, es pot continuar reciclant o compostant com un únic material, sense necessitat de separar-lo primer.
Javier G. Fernández
«Avui, el principal coll d’ampolla del reciclatge no és el material en si, sinó recuperar i separar els diferents materials que componen un mateix objecte», explica Javier G. Fernández, professor d’Investigació ICREA a l’IBEC i líder de l’estudi. «Si un sol material es pot programar perquè es comporti de manera molt diferent d’una zona a una altra, es pot continuar reciclant o compostant com un únic material, sense necessitat de separar-lo primer». Només el plàstic existeix en centenars de tipus diferents, cadascun amb la seva pròpia cadena de reciclatge.
Davant d’aquest enfocament multimaterial, els organismes vius aconsegueixen funcions mecàniques diferents dins d’una mateixa estructura ajustant localment un conjunt limitat de peces bàsiques. Els insectes, per exemple, construeixen els seus exoesquelets a partir de quitina —el polímer natural del qual deriva el quitosan— adaptant regions diferents per al suport, el moviment o la protecció. Aquesta economia de materials reflecteix una estratègia evolutiva coneguda com a survival of the cheapest («la supervivència del més barat»): aconseguir una gran diversitat funcional sense multiplicar els materials necessaris. «La natura canvia habitualment les propietats locals d’un únic material per guanyar eficiència», explica Fernández. «Un insecte construeix tot el seu exoesquelet com una sola peça contínua, i tot i això inclou parts molt flexibles, com les articulacions de les potes, i parts molt rígides, com el tòrax o les ales. Això és eficient de produir, perquè l’animal només ha d’ajustar un únic procés, i també és eficient des del punt de vista mecànic, perquè una estructura sense unions és molt més resistent que una altra construïda unint peces separades».
Per posar aquest principi en pràctica, l’equip de l’IBEC va utilitzar quitosan, un derivat de la quitina, per capturar ions metàl·lics dins de l’estructura de pel·lícules primes. Van introduir ions de coure, zinc o níquel mentre el polímer estava dissolt, atrapant-los dins del material a mesura que s’assecava. Tot seguit, un tractament alcalí va deixar més disponibles els punts d’unió naturals del quitosan per interactuar amb els ions ja incorporats. Aquestes interaccions modifiquen com s’associen les cadenes del polímer, la qual cosa ofereix als investigadors una manera d’ajustar el comportament mecànic del material triant el metall, sense alterar-ne l’esquelet químic de base.
Volíem demostrar, en un sol objecte, que es pot plegar i desplegar de manera controlada —com l’ala d’un insecte— sense cola, costures ni peces separades.
Akshayakumar Kompa
El resultat és el mateix polímer de base amb personalitats mecàniques marcadament diferents segons quin metall s’hi hagi afegit. En condicions seques, el quitosan dopat amb zinc va resultar més d’un 50% més fort i rígid que el quitosan sense dopar, tot i que menys elàstic; el quitosan dopat amb coure es va tornar més dúctil, estirant-se molt més abans de trencar-se, a costa de resistència; el quitosan dopat amb níquel va quedar en un punt intermedi. El resultat més singular va aparèixer en mullar les pel·lícules: mentre que el quitosan sense dopar i les versions dopades amb coure i zinc s’afeblien en l’aigua, tal com passa amb la majoria de materials biològics i bioinspirats, la versió dopada amb níquel es tornava, en canvi, més forta i rígida —una inversió que l’equip ja havia observat, i estudiat amb més profunditat mecanística, en un material relacionat de quitosan-níquel descrit en un estudi anterior de l’IBEC publicat a Nature Communications.
Per demostrar la utilitat d’aquesta «programació» local, l’equip va construir una estructura en forma de ventall, inspirada en l’origami, que combina un quitosan rígid dopat amb níquel amb un quitosan flexible sense dopar en una única làmina contínua. «Volíem demostrar, en un sol objecte, que es pot plegar i desplegar de manera controlada —com l’ala d’un insecte— sense cola, costures ni peces separades», explica Akshayakumar Kompa, investigador postdoctoral al grup de Fernández a l’IBEC i primer autor de l’estudi.
L’equip també va provar com es degradaven en terra les diferents versions del material. En tres setmanes, les pel·lícules dopades amb zinc es van degradar completament, les dopades amb coure van perdre al voltant de la meitat de la seva massa, i les dopades amb níquel —les més fortes de les tres en mullat— es van degradar més lentament, perdent al voltant d’una quarta part de la seva massa en el mateix període.
Pròxims passos
These early results open a promising route to using biological materials as nature does: creating diverse mechanical functions by tuning local properties within a continuous structure. Beyond the films demonstrated here, the advance offers a design principle for sustainable, biointegrated objects that combine support and movement in a single material. The next steps are to assess durability under repeated movement, adapt the process for larger-scale manufacturing, and establish how the materials break down and interact with the environment. Soil tests already show metal-dependent differences in mass loss; further studies will distinguish biological degradation from dissolution and fragmentation, quantify metal release, and assess environmental safety. Together, these efforts will help translate the concept into practical designs.
Article de referència
Akshayakumar Kompa and Javier G. Fernández. Artificial reproduction of chitinous mechanical versatility through metal doping and its use in resource-efficient product design. Journal of Materials Chemistry A (2026). DOI: 10.1039/D6TA04260K
