Una nueva clase de materia sacude la ciencia

Un estudio reciente sostiene que materiales como la madera, las bacterias y los hongos pertenecen a una clase de materia recién identificada, los «sólidos acuosos».

Durante muchos años, los campos de la física y la química creyeron que las propiedades de los sólidos están determinadas principalmente por los átomos y las moléculas que los componen. Por ejemplo, la naturaleza cristalina de la sal se atribuye al enlace iónico que se forma entre los iones de sodio y cloruro. Del mismo modo, los metales como el hierro o el cobre deben su dureza a los enlaces metálicos entre sus respectivos átomos, y la elasticidad del caucho proviene de los enlaces elásticos de los polímeros que los forman. Este principio también se aplica a materiales como hongos, bacterias y madera.

O eso dice la historia.

Un nuevo artículo publicado recientemente en naturaleza Da la vuelta a este modelo y argumenta que la naturaleza de muchos materiales biológicos en realidad es creada por el agua que impregna estos materiales. El agua produce un sólido y continúa definiendo las propiedades de ese sólido, mientras mantiene sus propiedades líquidas.

En su artículo, los autores agrupan estos y otros materiales en una nueva clase de materia que llaman «sólidos de hidratación», que dicen «obtienen la dureza de su estructura, el sello distintivo del estado sólido, del líquido que penetra en sus poros». » Una nueva comprensión de la materia biológica podría ayudar a responder preguntas que han atormentado a los científicos durante años.

«Creo que este es un momento realmente especial en la ciencia», dijo Ozgur Şahin, profesor de ciencias biológicas y física y uno de los autores del artículo. «Reúne algo increíblemente diverso y complejo con una explicación simple. Es una gran sorpresa, una delicia intelectual».

Los nuevos hallazgos surgen de la investigación en curso del profesor Shaheen sobre el extraño comportamiento de las esporas, las células bacterianas durmientes, que se describen aquí. Crédito: Shi Chen

Stephen G. Harrelson, quien recientemente completó sus estudios de doctorado en el Departamento de Física de Columbia y autor del estudio, usó la metáfora de un edificio para describir el descubrimiento del equipo: «Si piensas en los materiales biológicos como un rascacielos, el edificio molecular los bloques son los marcos de acero que los mantienen unidos, y el agua entre los bloques de construcción moleculares». Es el aire dentro de los marcos de acero. Descubrimos que algunos rascacielos no están sostenidos por sus marcos de acero, sino por el aire dentro de esos marcos».

Shaheen agregó: «Esta idea puede parecer difícil de creer, pero resuelve misterios y ayuda a predecir la presencia de fenómenos interesantes en los materiales».

Cuando el agua está en estado líquido, sus moléculas logran un delicado equilibrio entre el orden y el desorden. Pero cuando las moléculas que componen los materiales biológicos se combinan con el agua, inclinan la balanza hacia el sistema: el agua quiere volver a su estado original. Como resultado, las moléculas de agua empujan las moléculas de materia biológica. Esta fuerza impulsora, llamada fuerza de rehidratación, se identificó en la década de 1970, pero se pensaba que su efecto sobre la materia biológica era limitado. El argumento de este nuevo artículo de que la fuerza del agua es lo que determina casi toda la naturaleza de la materia biológica, incluyendo cuán blanda o dura es, sorprende.

Hace tiempo que sabemos que los materiales biológicos absorben la humedad ambiental. Piense, por ejemplo, en una puerta de madera que se expande durante un período húmedo. Sin embargo, esta investigación muestra que el agua circundante es mucho más importante para las propiedades de la madera, los hongos, las plantas y otros materiales naturales de lo que sabíamos anteriormente.

El equipo descubrió que poner el agua al frente y al centro les permitió describir las propiedades que muestran los materiales orgánicos familiares con una aritmética muy simple. Los modelos anteriores de cómo el agua interactúa con la materia orgánica requerían simulaciones informáticas avanzadas para predecir las propiedades del material. La simplicidad de las fórmulas que encontró el equipo puede predecir estas propiedades indicando que están presentes en algo.

Spirit Island, Parque Nacional Jasper, Canadá. “Cuando caminamos por el bosque, pensamos en los árboles y las plantas que nos rodean como sólidos típicos”, dijo el profesor Ozgur Şahin. «Esta investigación muestra que realmente deberíamos pensar en esos árboles y plantas como torres de agua que mantienen los azúcares y las proteínas en su lugar». Crédito: Terry Ott

Para tomar un ejemplo, el equipo descubrió que la ecuación simple E = Al/ describe con precisión cómo cambia la elasticidad de un material en función de factores que incluyen la humedad, la temperatura y el tamaño de las partículas. (E en esta ecuación denota la elasticidad del material; A es un factor que depende de la temperatura y la humedad del ambiente; l es el tamaño aproximado de las partículas biológicas y es la distancia a la que las fuerzas de hidratación pierden su fuerza).

“Cuanto más trabajamos en este proyecto, más simples se vuelven las respuestas”, dijo Harrelson, y agregó que el experimento es “muy raro en la ciencia”.

Los nuevos hallazgos surgieron de la investigación en curso del profesor Shaheen sobre el extraño comportamiento de los gérmenes y las células bacterianas latentes. Durante años, Shaheen y sus alumnos han estudiado los microbios para comprender por qué se expanden fuertemente cuando se les agrega agua y se contraen cuando se les quita el agua. (Hace varios años, Shaheen y sus colegas obtuvieron cobertura de los medios por aprovechar esta capacidad para crear pequeños artilugios similares a motores impulsados ​​por esporas).

Alrededor de 2012, Shaheen decidió dar un paso atrás y preguntar por qué las esporas se comportan de la forma en que lo hacen. A él se unieron los investigadores Michael S. DeLay y Xi Chen, los autores del nuevo artículo, que entonces eran miembros de su laboratorio. Sus experimentos no proporcionaron una solución al misterioso comportamiento de los gérmenes. «Terminamos con más acertijos que cuando empezamos», recuerda Shaheen. Estaban atascados, pero los acertijos que enfrentaron insinuaron que había algo que valía la pena seguir.

Después de años de reflexionar sobre las posibles explicaciones, a Shaheen se le ocurrió que los acertijos que enfrenta continuamente el equipo podrían explicarse si la fuerza de la hidratación controla la forma en que el agua viaja en las esporas.

El equipo tuvo que realizar más experimentos para probar la idea. En 2018, Harrelson, ahora ingeniero de software en la empresa de análisis de datos Palantir, se unió al proyecto.

«Cuando abordamos el proyecto por primera vez, parecía imposiblemente complicado. Tratábamos de explicar varios efectos diferentes, cada uno con su propia fórmula insatisfactoria. Una vez que comenzamos a usar los poderes humectantes, cada una de las fórmulas antiguas podía eliminarse. Cuando solo quedaron poderes, sentimos que nuestros pies finalmente tocaron el suelo. Fue increíble y muy relajante; las cosas tienen sentido”, dijo.

Los resultados de esos experimentos llevaron al equipo y a sus colaboradores a este documento. Además de Harrellson, DeLay, Chen y Sahin, otros autores del artículo son Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Sesenta. Adam Drex de la Universidad Loyola de Chicago, quien también contribuyó a la investigación, murió antes de que se completara el trabajo.

Los hallazgos del artículo se aplican a grandes cantidades del mundo que nos rodea: los materiales biológicos higroscópicos, es decir, los materiales biológicos que permiten que el agua entre y salga, constituyen potencialmente entre el 50 % y el 90 % del mundo vivo que nos rodea, incluidos todos los madera del mundo, pero también otros materiales familiares como el bambú, el algodón, las piñas, la lana, el pelo, las uñas, el polen de las plantas, la piel exterior de los animales y las esporas de bacterias y hongos que ayudan a estos organismos a sobrevivir y reproducirse.

El término acuñado en el documento, «sólidos hidratados», se aplica a cualquier material natural que responda a la humedad ambiental que lo rodea. Usando las ecuaciones que determinó el equipo, ellos y otros investigadores pueden predecir las propiedades mecánicas de los materiales a partir de los principios básicos de la física. Hasta ahora esto ocurría principalmente con los gases, gracias a la conocida ecuación general de los gases, que los científicos conocen desde el siglo XIX.

«Cuando caminamos por el bosque, pensamos en los árboles y plantas que nos rodean como sólidos típicos. Esta investigación muestra que realmente deberíamos pensar en esos árboles y plantas como torres de agua que mantienen azúcares y proteínas en su lugar», dijo Shaheen. Realmente es un mundo acuático”.

Referencia: «Sólidos de hidratación» por Stephen G. Harrelson, Michael S. Delay, Shi Chen, Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Stone y Ozgur Sahin, 7 de junio de 2023, disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06144-y

El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Investigación Naval y[{» attribute=»»>National Institutes of Health, and the David and Lucile Packard Foundation.