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13 de Marzo de 2020
Biofísica

Cómo se refrescan las mariposas

Las alas de las mariposas presentan estructuras nanométricas que les ayudan a evitar el sobrecalentamiento. El hallazgo podría servir para diseñar nuevos materiales ligeros para regular la temperatura.

Fotografías infrarrojas de varias mariposas, donde el brillo se corresponde con la capacidad de liberar calor por medio del enfriamiento radiativo. [Nanfang Yu and Cheng-Chia Tsai/Escuela de Ingeniería de Columbia]

Diseñar materiales que refrigeren mejor se ha convertido en un problema acuciante a medida que el clima se calienta, y algunos científicos recurren a la naturaleza en busca de ideas. Los animales pequeños con baja masa corporal, como los insectos, tienen que enfrentarse al hecho de que se calientan mucho más rápido que los grandes mamíferos. Cuando las mariposas se posan en las ramas de los árboles para tomar el sol, por ejemplo, sus alas relativamente grandes pueden sobrecalentarse en cuestión de segundos. Así que han desarrollado sofisticadas técnicas para enfriarse. Un grupo de investigadores de la Universidad de Columbia y la Universidad Harvard han descubierto los mecanismos de refrigeración de estos coloridos insectos. Sus alas se comportan como radiadores nanométricos y podrían inspirar nuevos materiales ligeros para combatir el calor.

El calor es radiación electromagnética generada por la vibración de las moléculas, explica Nanfang Yu, profesor de física aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia y uno de los autores del estudio. Cuantas más moléculas consiga exponer un material en su superficie, más calor podrá disipar a través del llamado enfriamiento radiativo.

Así que dependiendo de su estructura, algunos materiales son capaces de liberar calor más rápidamente que otros. Los que están compuestos por capas corrugadas en forma de ondas, pliegues o tubos cilíndricos, por ejemplo, se enfrían mucho más deprisa que los objetos macizos, porque tienen expuesta una superficie mayor. Esta es la razón por la que los radiadores de las casas suelen hacer pasar el agua a través de varias dobleces del metal, ya que así pueden irradiar el calor en la habitación de manera más eficaz.

Parece que algunas partes de las alas de las mariposas usan un principio similar. Las propias alas son sistemas complejos que constan de estructuras «vivas» e inertes, cubiertas por varios tipos de escamas de quitina, una sustancia rígida que también se encuentra en los exoesqueletos de algunos crustáceos y en los hongos. Las partes vivas de las alas de las mariposas incluyen almohadillas y parches de olor que liberan feromonas, así como venas para la hemolinfa, un fluido circulatorio de los artrópodos que es comparable a la sangre. Las estructuras inertes incluyen membranas de quitina que se extienden entre las venas de las alas.

Los investigadores descubrieron que las escamas que cubren estas estructuras presentas distintas formas e irradian calor de diferentes maneras. Las escamas de las almohadillas de olor tienen la forma de una multitud de tubos diminutos con sus aberturas hacia afuera, cada uno de ellos de aproximadamente una micra (una milésima de milímetro) de diámetro. Tales nanoestructuras disipan el calor de manera muy eficaz, protegiendo los órganos que liberan las feromonas contra el sobrecalentamiento. Debido a que estas estructuras delicadamente onduladas exponen más moléculas de su superficie que si fuesen planas, señala Yu, «desde un punto de vista microscópico, hay más radiadores».

Las escamas que cubren las venas de las alas son más gruesas pero tienen muchos agujeros, a través de los cuales también emiten calor de manera eficiente. Las escamas que recubren las partes inertes del ala, que no son tan sensibles al calor, no poseen una «emisividad térmica» tan elevada.

Para dilucidar cómo funcionan estos complejos sistemas, el equipo anestesió varios tipos de mariposas y utilizó un pequeño pincel para quitar las escamas de las alas y poder ver así las estructuras subyacentes. Los científicos también inyectaron una pequeña cantidad de colorante azul en el tórax de los insectos. Transportado por la hemolinfa, el tinte contribuyó a visualizar las células y tejidos vivos.

Las cámaras térmicas también ayudaron a Yu y sus colaboradores a analizar las alas. En los dispositivos, las estructuras vivas aparecían más brillantes que sus alrededores, lo que demuestra que estaban disipando calor. El equipo también descubrió que las mariposas tienen un «corazón» en el ala, que bombea hemolinfa a través de las almohadillas de olor, asegura Naomi E. Pierce, bióloga y conservadora del Museo de Zoología Comparada de Harvard y coautora del artículo. El estudio se publicó a finales de enero en Nature Communications.

El trabajo de los científicos es «notable», valora Aaswath Raman, que estudia las interacciones de la luz y el calor con las estructuras nanométricas en la Universidad de California en Los Ángeles y no participó en el estudio. «Posiblemente podríamos convertir las microestructuras concretas que han descubierto en nuestros propios procesos artificiales», añade. «Un aspecto atractivo es que las alas de las mariposas son muy ligeras, y las microestructuras involucradas son extremadamente pequeñas y delgadas. Así que una idea que se desprende [del artículo] es que puede inspirar maneras eficaces de eliminar el calor en sistemas muy ligeros.»

Los investigadores ya están trabajando en el desarrollo de materiales para combatir el calor basados en sus hallazgos sobre las mariposas, y en los de otra investigación similar sobre las hormigas subsaharianas. Esperan diseñar un polímero refrigerante y conferirle formas que se asemejen a las nanoestructuras de las alas de las mariposas. Aunque las aplicaciones comerciales aún quedan lejos, en última instancia el material resultante podría servir para pintar edificios y otros fines similares.

Junto con su ligereza, un material para prevenir el sobrecalentamiento inspirado en las mariposas podría tener otra ventaja: la posibilidad de usar distintos colores. Muchos de los revestimientos convencionales que reflejan el calor, como los de los techos fríos, tienden a ser blancos, porque este color no absorbe la radiación térmica. Pero pintar de blanco demasiadas cosas no resulta agradable de un punto de vista estético, comenta Qiaoqiang Gan, experto en fotónica de la Universidad de Búfalo que no participó en el estudio. «Necesitamos un mundo colorido», concluye Gan, destacando los colores tan vívidos que exhiben las mariposas en la naturaleza. «Las alas de las mariposas nos proporcionan un ejemplo de que las estructuras coloridas también pueden presentar enfriamiento radiativo en determinados casos.»

Lina Zeldovich

Referencia: «Physical and behavioral adaptations to prevent overheating of the living wings of butterflies», Cheng-Chia Tsai et al. en Nature Communications, vol. 11, art. 551, 28 de enero de 2020.

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