Puentes biodegradables: estructuras vivas que responden al medio ambiente.

ETH Zurich es una universidad de ciencia y tecnología cuya creación se remonta al año 1855, pero actualmente se auto-concibe como un centro de innovación y generación de conocimiento basado en los valores suizos de libertad y responsabilidad individual, espíritu emprendedor y mentalidad abierta. En ETH Zurich, los estudiantes descubren un entorno ideal para el pensamiento independiente y los investigadores un clima que inspira el máximo rendimiento. Situada en el corazón de Europa, pero forjando conexiones en todo el mundo, ETH Zurich es pionera en soluciones efectivas para los desafíos globales de hoy y de mañana.

Entre otras muchas cosas, los investigadores de ETH Zurich están buscando nuevos materiales para sentar las bases de estructuras vivas que respondan a su entorno. Su objetivo es crear infraestructuras autosuficientes que puedan controlar su estado e incluso repararse a sí mismos.

Cuando Eleni Chatzi no está ocupada leyendo documentos técnicos sobre puentes vibrantes, infraestructuras inteligentes e ingeniería basada en datos, disfruta sumergirse en novelas de ciencia ficción. "Me gusta reflexionar sobre ideas no convencionales e imaginar un mundo que está por venir", dice Chatzi, profesora de mecánica estructural en ETH Zurich. De hecho, hay un halo de ciencia ficción cuando habla de aplicaciones que su investigación podría llevar algún día. Una de esas visiones futuristas son los puentes que crecen de un puñado de semillas y consisten completamente en material orgánico.

Esta ingeniera civil de 38 años, cuyo cátedra recibió recursos del fondo Albert Lück Stiftung desde 2010, se especializa en monitoreo de salud estructural. Chatzi diagnostica la salud de presas, puentes, turbinas eólicas, aviones y vehículos utilizando sensores, algoritmos que convierten y procesan señales, y aprendizaje automático. Actualmente, los ingenieros tienen que instalar externamente los sensores necesarios para medir la tensión, la deformación, la aceleración, el viento y la tensión, o incorporar estos dispositivos en el diseño estructural inicial. "Sin embargo, esto suele ser un gasto adicional y un factor disruptivo, especialmente en los sitios de construcción", explica Chatzi. Los equipos tienen que instalar innumerables cables para transmitir los datos medidos a una computadora central para su análisis. "Es por eso que nos gustaría desarrollar infraestructuras y máquinas con inteligencia intrínseca que sean conscientes de su estado incluso sin sensores montados externamente", dice Chatzi.

Una clase de materiales sin precedentes proporciona la base para este tipo de infraestructura autoconsciente, y los investigadores de todo el mundo han estado ocupados explorando sus misterios durante los últimos años. Un ejemplo es el hormigón intrínseco auto sensorial. Mezclado con fibras de carbono, nanotubos de carbono y polvo de níquel, este material controla su estado de forma autónoma para proporcionar información sobre grietas, humedad o cargas inusualmente pesadas. Estos datos se obtienen de la estructura aplicando voltaje y midiendo constantemente la resistencia eléctrica.

Una segunda línea de investigación en materiales con propiedades de autocuración apunta en una dirección similar. El año pasado, en un proyecto inspirado en la fotosíntesis de las plantas, los investigadores estadounidenses presentaron un polímero que puede repararse a sí mismo al reaccionar con dióxido de carbono en el aire circundante. Otros grupos están trabajando con bacterias que forman cal cuando se exponen al agua de lluvia y otra humedad. Agregados al concreto, pueden sellar pequeñas grietas por sí mismos. Se están realizando experimentos con redes microvasculares que liberan fluidos "curativos" cuando ocurre una lesión. Respondiendo como el organismo humano a una herida en la piel, se polimerizan para llenar las fracturas.

"Estamos viendo una fusión de la ciencia de los materiales y la biología", dice Mark Tibbitt, profesor del Laboratorio de Ingeniería Macromolecular de ETH Zurich. Señala que en el pasado, los ingenieros químicos y otros habían buscado en la naturaleza principalmente la inspiración para imitar propiedades como la capacidad de la flor de loto para repeler el agua. "Hoy, estamos tratando de incorporar funciones biológicas en los materiales".

"Lo fascinante de los organismos vivos es que perciben su entorno, reaccionan a él e incluso se curan a sí mismos cuando se lesionan. Queremos inculcar estas cualidades en materiales e infraestructuras", dice Tibbitt. Él cree que las aplicaciones futuras podrían incluir plantas de interior que limpian el aire y cambian el color de sus hojas para llamar la atención sobre la calidad del aire, y edificios que cambian con las estaciones para mantener un clima interior confortable.

Tibbitt se reunió con Eleni Chatzi hace un año en un evento para explorar vías de investigación radicalmente nuevas. Aunque los dos trabajan en escalas muy diferentes, a menudo hablan de los mismos conceptos. Los temas recurrentes incluyen materiales que pueden "curarse" a sí mismos. Recientemente, comenzaron a fomentar el diálogo entre los investigadores de ETH sobre materiales e infraestructuras de vida, auto detección y autocuración. Científicos de materiales, ingenieros químicos, civiles y eléctricos, biólogos e informáticos se han unido con el objetivo de desarrollar materiales que funcionen a diferentes escalas desde el principio en lugar de escalarlos en una etapa posterior. "ETH Zurich es el centro perfecto para este ambicioso proyecto porque tiene mucha experiencia en todas las áreas clave", dice Tibbitt. Un taller inicial y un simposio están programados para la primavera de 2020 para que los expertos discutan el asunto. La idea es definir preguntas de investigación y luego lanzar los primeros proyectos transdisciplinarios.