Los planos arquitectónicos de un edificio trazan lo que se necesita para evitar que se caiga. Pero el diseño no solo es funcional: a menudo, también es hermoso, con líneas y formas que pueden sorprender e inspirar.
La arquitectura bellamente diseñada no se limita a estructuras hechas por el hombre. La naturaleza está plagada de estructuras ornamentadas, desde los patrones fractales en espiral de conchas marinas hasta la intrincada variedad de neuronas tejidas en el cerebro.
El mundo microscópico contiene una buena cantidad de patrones y diseños intrincados, como los patrones geométricos en granos individuales de polen. Los científicos han estado fascinados por estas estructuras intrincadas, que son más pequeñas que el ancho de un cabello humano, pero aún no lo han hecho.determine cómo se forman estos patrones y por qué se ven de la manera en que lo hacen.
Investigadores del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pensilvania han desarrollado un modelo que describe cómo se forman estos patrones y cómo el polen evolucionó en una amplia gama de estructuras. La estudiante graduada Asja Radja fue la primera autora del estudio y trabajó conEric M. Horsley, estudiante de posgrado y ex doctorado Maxim O. Lavrentovich, quien ahora trabaja en la Universidad de Tennessee. El estudio fue dirigido por la profesora asociada Alison Sweeney.
Radja analizó el polen de cientos de especies de plantas con flores en una base de datos de microscopía, incluyendo iris, pigweed, amaranto y buganvilla. Luego desarrolló un método experimental que consistía en eliminar la capa externa de polisacáridos "mocos" de los granos de polen y tomarImágenes microscópicas de alta resolución que revelaron los detalles ornamentales del polen a medida que se formaban a escala micrométrica.
La hipótesis original de Sweeney y Radja era que las esferas de polen están formadas por un mecanismo de pandeo. El pandeo ocurre cuando los materiales son fuertes en el exterior pero flexibles en el interior, lo que hace que la estructura se contraiga hacia adentro y forme grietas o "hebillas" enla superficie, pero los datos que recopilaron no se alinearon con su idea inicial.
"Alison me enseñó que con cualquier sistema biológico, hay que mirarlo realmente para saber exactamente qué está pasando", dice Radja sobre las horas que pasó estudiando imágenes de polen. Uno de los desafíos clave con el estudio del polen fuemirando el problema con una nueva perspectiva para pensar qué física subyacente podría explicar las estructuras.
La solución, publicada en Celda , representa el primer marco teórico basado en la física sobre cómo se forman los patrones de polen. El modelo establece que los patrones de polen ocurren por un proceso conocido como separación de fases, que los físicos han encontrado que también pueden generar patrones geométricos en otros sistemas. Un ejemplo cotidiano de fasela separación es la separación de la crema de la leche; cuando la leche se encuentra a temperatura ambiente, la crema sube a la superficie naturalmente sin ninguna energía adicional, como mezclar o agitar.
Radja pudo demostrar que la tendencia "predeterminada" de desarrollar esporas de polen es someterse a una separación de fases que luego da como resultado patrones detallados y cóncavos ". Estos patrones intrincados en realidad podrían ser una feliz consecuencia de no poner energía en elsistema ", dice Radja.
Sin embargo, si las plantas detienen este proceso natural de formación de patrones al secretar un polímero rígido que impide la separación de fases, por ejemplo, pueden controlar las formas que se forman. Estas plantas tienden a tener esporas de polen que son más suaves y más esféricas. Sorprendentemente,los granos de polen lisos, que requieren energía adicional, ocurren con mayor frecuencia que los granos adornados, lo que sugiere que los granos lisos pueden proporcionar una ventaja evolutiva.
Este marco biofísico ahora permitirá a los investigadores estudiar una clase mucho más amplia de materiales biológicos. Sweeney y su grupo verán si las mismas reglas pueden explicar arquitecturas mucho más complejas en biología, como las cerdas de los insectos o las paredes celulares de las plantas.
El grupo de Sweeney también está trabajando con el ingeniero de materiales Shu Yang de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn para desarrollar materiales inspirados en el polen. "Los materiales que son como el polen a menudo tienen una superhidrofobicidad, por lo que puede controlar muy intrincadamente cómo interactuará el agua conla superficie ", dice Sweeney." Lo bueno de este mecanismo es que es pasivo; si puedes imitar la forma en que se forma el polen, puedes hacer que los polímeros vayan a donde quieras sin tener que hacer ingeniería complicada que es costosa ydifícil de replicar "
La investigación fue apoyada por el Kaufman Foundation New Initiative Award, la Packard Foundation Fellowship, el National Science Foundation CAREER Award 1351935 y una beca de investigación Simons.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Erica K. Brockmeier. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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