Aprendiendo a tejer con moléculas

“Los principios de la teoría de nudos son muy similares a los de tejer”, dice David Leigh, profesor de química en la Universidad de Manchester y miembro de la Royal Society de Londres. Su grupo está en la vanguardia de la construcción de nudos no con trozos de soga, sino con moléculas, y acaba de lograr un hito en ese campo: el primer nudo molecular con ocho cruzamientos. Lo que estos pioneros están aprendiendo a hacer anudando moléculas tendrá, según espera Leigh, una aplicación directa para tejer nuevas clases de materiales y nanomáquinas. La élite tecnológica ha reinventado el telar.

Los nudos convencionales son en sí mismos una cultura ancestral, una técnica y un arte. Nudo de tope para que las cuerdas no se deshilachen, gaza del pescador para atar una lazada alrededor de un soporte, puño de mono que funciona como una plomada, ayustes, cotes, vueltas, ligadas, nudos planos y de botón, de montaña y decoración, la lista es interminable. “Los nudos pueden resultar a la larga tan versátiles y útiles en la nanoescala como lo han sido en la macroescala”, auguran Leigh y sus colegas de Manchester, que presentan su investigación en Science.

La teoría de nudos es una parte esencial de la topología, la disciplina geométrica que investiga las propiedades de los objetos que no cambian por mucho que se les deforme, siempre que no se rompan ni se les abra un agujero que no tuvieran antes. Los matemáticos conocen así que el parámetro fundamental que describe la naturaleza de un nudo es el número de veces que un tramo de cuerda se cruza con otro.

También saben que hay exactamente 84 nudos posibles que se pueden formar con nueve cruzamientos; y 6.000 millones de nudos con menos de 21 cruzamientos; e infinitos nudos con infinitos cruzamientos; y saben que cualquier nudo puede formarse trenzando varias cuerdas. El propio Leigh recomienda a los lectores de Materia esta entrada de Wikipedia para profundizar en la teoría de nudos.

La teoría de nudos es una parte esencial de la topología, la disciplina geométrica que investiga las propiedades de los objetos que no cambian por mucho que se les deforme

Pero la química va muy por detrás de las matemáticas, e incluso de las artes de marinería. Los químicos de Manchester han percibido con perplejidad que, por ejemplo, solo 4 de los 84 nudos de nueve cruzamientos se pueden formar trenzando dos cadenas químicas. Trenzar tres cadenas químicas mejora las opciones (hasta 25 de los 84), pero agrava exponencialmente los problemas técnicos. Es resolviendo con inteligencia creativa algunos de estos como Leigh y su laboratorio han logrado el primer nudo de ocho cruzamientos. Su nombre es 819. El 8 es por los cruzamientos, y el 19 no es más que un número de serie.

Pero, si la topología ha demostrado que cualquier nudo se puede formar trenzando cadenas, ¿puede la técnica de Manchester ampliarse a escala para formar cualquier posible nudo? “Sí”, responde Leigh, “eso debería ser posible, en principio, aunque hay algunos problemas que resolver primero, como el de controlar la secuencia de cruzamientos por arriba y por abajo en los nudos menos simétricos que el que hemos hecho ahora”.

Como los principios del anudado son muy similares a los de tejer, explica el químico de Manchester, “debería ser posible utilizar lo que estamos aprendiendo sobre nudos moleculares para tejer cadenas moleculares y crear así nuevos tipos de materiales. En nuestro mundo cotidiano conocemos muy bien los beneficios de tejer: puedes tejer materiales que se estiran en una dirección u otra, manteniendo la forma, y que son ligeros, fuertes y flexibles. Con suerte podremos utilizar estos mismos conceptos para tejer cadenas moleculares y hacer así plásticos y polímeros con ventajas similares”.

Leigh pone el ejemplo del Kevlar, una fibra sintética creada en 1965 por la química polaca Stephanie Kwolek, y utilizada desde entonces para los chalecos antibalas, los frenos de los coches y ciertas piezas de los aviones. “Es un polímero super-robusto”, dice el científico, “con una estructura química que consiste en cilindros minúsculos que se empaquetan muy juntos, como lápices en una caja. Si podemos tejer cadenas moleculares en tejidos moleculares, quizá podamos conseguir el mismo tipo de fuerza con un material más ligero y flexible”.

Un bello ejemplo de química, matemáticas y artesanía al servicio del conocimiento y de la industria del futuro.