Un hallazgo utiliza la imperfección para fabricar estructuras sostenibles
Esta idea podría revolucionar la ingeniería de los materiales del futuro gracias a las estructuras biológicas. Todos los detalles.
Si alguna vez alguien trató de encastrar baldosas irregulares o armar un collage con piezas que no terminaban de encajar, probablemente sentió la frustración de esa imperfección. Sin embargo, en la naturaleza, ese tipo de desajustes no solo son habituales, sino que resultan clave para formar estructuras resistentes, flexibles y sorprendentemente eficientes.
Un estudio reciente, liderado por Xiaoming Mao en la Universidad de Michigan, analiza cómo estas “geometrías no coincidentes” -una forma de frustración estructural- podrían inspirar el desarrollo de nuevos materiales más fuertes y sostenibles. Mediante modelos matemáticos y simulaciones, el equipo mostró que ciertos patrones de organización aparentemente desordenados, cuando se diseñan con precisión, pueden mejorar notablemente la resistencia y la flexibilidad de un material. Esta línea de investigación, que toma ideas de la biología más diminuta, está marcando un camino prometedor para el diseño de los materiales del futuro.
La investigación se basa en un principio conocido como frustración geométrica, que surge cuando los elementos de una estructura no pueden alinearse perfectamente debido a sus formas o disposiciones espaciales. Este desajuste impide una organización completamente ordenada, pero lejos de generar descontrol, da lugar a patrones complejos que aportan propiedades nuevas y valiosas. Según explican los investigadores, existen dos tipos de frustración: no acumulativa, cuando los errores de encaje quedan confinados a una zona específica, y acumulativa, cuando se propagan y afectan a toda la estructura.
Un ejemplo clásico de este fenómeno es intentar cubrir una superficie plana usando solo pentágonos: debido a su geometría, nunca encajarán sin dejar espacios vacíos. En la naturaleza, esta limitación se transforma en una ventaja. Como explica Xiaoming Mao, “la frustración, al trabajar con bloques que no coinciden perfectamente, genera una complejidad maravillosa que puede traducirse en propiedades materiales superiores”.
Aplicado de forma precisa, este principio permite diseñar materiales que combinan resistencia y flexibilidad, algo que en la ingeniería convencional suele implicar compromisos. Inspirarse en estos modelos naturales ofrece una alternativa: construir estructuras con vacíos estratégicamente ubicados, capaces de absorber impactos o adaptarse a tensiones sin quebrarse.
Para explorar este enfoque, el equipo de la Universidad de Michigan desarrolló herramientas teóricas basadas en la teoría de grafos, una rama de las matemáticas que estudia conexiones entre elementos. Esta metodología les permitió representar y analizar cómo los bloques “mal encajados” pueden organizarse de manera eficiente. A partir de estos modelos, elaboraron diagramas de fase que permiten predecir qué propiedades mecánicas emergerán según distintos tipos de organización estructural.
En el artículo original, publicado en Physical Review Letters, los autores explican que lo que han desarrollado hasta ahora es lo que en física teórica se conoce como un “modelo de juguete”: una representación simplificada que, a pesar de su sencillez, permite explorar con profundidad cómo pequeñas variaciones en la forma y disposición de los bloques afectan el comportamiento general del sistema. El siguiente paso será trasladar estas ideas al mundo de los materiales reales, un trabajo que ya comenzaron en colaboración con el centro de investigación COMPASS.
El equipo descubrió que las mejores propiedades emergen en un punto intermedio: un equilibrio entre orden y desorden. “Un cristal perfectamente organizado no ofrece lo que buscamos, pero una estructura completamente caótica tampoco funciona”, señalan los investigadores. Este punto óptimo, que recuerda al balance justo de los cuentos de Ricitos de Oro, es donde la geometría frustrada se convierte en una herramienta de diseño potente y prometedora.
La inspiración inicial de esta investigación provino de una imagen: la de los cocolitóforos, microorganismos unicelulares que construyen conchas de carbonato de calcio formadas por pequeños discos que no encajan de manera perfecta. A pesar de esa aparente imperfección, estas estructuras logran ser sorprendentemente robustas, eficientes y ligeras.
Al analizar estos organismos, el equipo de Xiaoming Mao comprendió que la naturaleza ha estado utilizando la frustración geométrica como estrategia de diseño desde hace millones de años. Y no solo en conchas: también se encuentra en huesos, caparazones, tejidos vegetales y muchas otras estructuras biológicas. Esta organización “imprecisa” permite distribuir mejor las tensiones, absorber impactos y reducir el peso sin perder resistencia.
Los investigadores creen que imitar estos principios naturales podría abrir el camino hacia materiales más sostenibles, permitiendo lograr más con menos: menos materia prima, menos residuos, mayor adaptabilidad. En campos como la construcción, la biomedicina o la robótica, este enfoque tiene un enorme potencial. Como señala Mao: “Si lográramos construir con estas características, podríamos usar menos material y aun así obtener mejores propiedades mecánicas”.
