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Hola, somos CoreSpin, un equipo de 14 estudiantes de la Universidad de Maastricht que representamos a 16 países y tenemos diversos antecedentes en biología, química, ingeniería e informática. Unidos por la curiosidad y el deseo común de tender puentes entre el laboratorio y el mundo real, estamos explorando cómo la biología puede transformar la ingeniería.
Nuestro proyecto lleva el pensamiento biológico a un campo en el que rara vez se aplica: la ingeniería térmica. Estamos desarrollando una nanocapa térmicamente conductora que recubre las superficies de intercambio de calor para combatir las incrustaciones biológicas y la acumulación de polvo y sedimentos.
Ingeniería desde una perspectiva diferente: biología sintética
La biología sintética está transformando silenciosamente la vida moderna, desde los alimentos que comemos hasta los medicamentos que tomamos. Implica rediseñar organismos naturales para mejorar sus funciones o crear otros completamente nuevos. En la encrucijada entre la biología, la ingeniería, la química, la física y la informática, este campo aúna disciplinas para diseñar y construir sistemas biológicos con un propósito determinado.
Inspirándose en la naturaleza, la biología sintética ofrece vías innovadoras hacia una economía más sostenible y circular. Al fusionar principios de múltiples disciplinas, nos permite replantearnos cómo diseñamos los materiales y los sistemas, incluso en áreas que tradicionalmente no han sido abordadas por la biología.
Una de estas áreas es la ingeniería térmica, donde las ideas biológicas pueden ofrecer soluciones innovadoras a retos industriales que llevan mucho tiempo sin resolverse.
Inspirados por la naturaleza, concretamente por las extraordinarias propiedades de la seda de araña, estamos diseñando proteínas capaces de unirse directamente al cobre y ajustando sus secuencias para lograr una resistencia mecánica, una conductividad térmica y una estructura a nanoescala óptimas.
La columna vertebral de la vida moderna: los intercambiadores de calor
Para comprender dónde podría marcar la diferencia esta innovación, centramos nuestra atención en una de las tecnologías más ignoradas, pero esenciales, de la vida moderna: los intercambiadores de calor. Enfrían los motores de los automóviles, mantienen los frigoríficos en funcionamiento, regulan la temperatura de los edificios y constituyen la columna vertebral de los sistemas de refrigeración de los centros de datos. De hecho, más del 90 % del calor utilizado en los procesos industriales pasa por un intercambiador de calor al menos una vez antes de completarse. Por lo tanto, estos dispositivos no solo son vitales para el buen funcionamiento de innumerables sistemas, sino que también desempeñan un papel clave en la mejora de la eficiencia energética general.
Durante nuestra visita al centro energético de nuestro hospital local, hablamos con técnicos y gerentes que nos presentaron uno de los principales retos en este campo: la obstrucción de los intercambiadores de calor. Esta reunión nos permitió comprender el problema de forma tangible y nos ayudó a definir la relevancia real de nuestro proyecto.
El problema: bacterias, polvo y sedimentos en las superficies de los intercambiadores de calor.
Los intercambiadores de calor líquido-aire transfieren el calor de un líquido al aire circundante. Sin embargo, debido a que funcionan en entornos abiertos llenos de polvo, residuos y bacterias, son muy susceptibles al bioincrustamiento, la corrosión y la sedimentación. Por ejemplo, las bacterias pueden adherirse a las superficies conductoras y formar una capa viscosa conocida como biopelícula. Aunque esto pueda parecer insignificante, se ha demostrado que el bioincrustamiento en las superficies de cobre reduce drásticamente la conductividad térmica. Una biopelícula tan fina como un solo cabello puede reducir la transferencia de calor hasta en un 98 %. Además, estas bacterias contribuyen a la corrosión natural, que con el tiempo degrada la superficie del material y reduce la eficiencia térmica en más de un 20 %. La acumulación de polvo y sedimentos puede provocar una caída adicional del 30 % en la conducción del calor.
En conjunto, estos problemas perturban el funcionamiento normal del intercambiador de calor y reducen significativamente su eficiencia. Para compensarlo, los sistemas deben trabajar más, consumiendo más energía y produciendo mayores emisiones de gases de efecto invernadero.
Los métodos de limpieza actuales solo ofrecen un alivio a corto plazo y, a menudo, dependen de productos químicos agresivos que suponen un riesgo para la salud y consumen recursos valiosos. El mantenimiento también provoca tiempos de inactividad y aumenta los costes operativos. Como resultado, las empresas suelen optar por retirar los componentes antiguos en lugar de mantenerlos, lo que agota aún más los recursos y genera residuos innecesarios.
La solución: fusionar naturaleza y tecnología hacia un futuro más brillante
Para superar las limitaciones de los métodos de limpieza y mantenimiento existentes, exploramos materiales biológicos capaces de proporcionar tanto eficiencia térmica como propiedades de autolimpieza. La seda de araña surgió como un modelo natural para ese rendimiento multifuncional.
Las arañas producen varios tipos de seda, cada uno de los cuales forma una parte diferente de su telaraña. Entre ellos, la seda de seguridad, también conocida como seda ampulácea mayor, ha llamado especialmente la atención. Como elemento que soporta el peso de la telaraña, contiene proteínas únicas que le confieren propiedades excepcionales: es tan resistente como el acero, tres veces más resistente que el Kevlar y cinco veces más elástica que el nailon. La seda de araña también es notablemente conductora del calor, aproximadamente al mismo nivel que el cobre.
Acoplamiento de una proteína a superficies de cobre
Aunque la seda de araña presenta una resistencia y una conductividad térmica extraordinarias, sus proteínas naturales (las espidroínas) no se unen de forma natural a los metales, un requisito clave para nuestro diseño. Para trasladar las propiedades de la seda a un recubrimiento funcional, necesitábamos una forma de fijar estas proteínas directamente a superficies de cobre, elegidas por su excelente conductividad térmica y su estructura cristalina estable.
Para lograrlo, introdujimos un residuo de cisteína adicional en la secuencia de la proteína. El grupo tiol de este residuo forma un enlace covalente de cobre-azufre, creando una conexión molecular directa entre la capa de proteína y la superficie metálica. Este enlace es esencial para el acoplamiento fonónico, es decir, la transferencia de energía térmica del cobre a las fibrillas de espidroína. Sin este enlace, quedarían espacios microscópicos entre el metal y la capa de proteína, lo que atraparía aire y convertiría el recubrimiento en una barrera aislante en lugar de conductora.
Además de garantizar una transferencia de calor eficiente, esta unión covalente también ayuda a establecer la estructura superficial a nanoescala responsable de las propiedades antibacterianas del recubrimiento.
Efecto autolimpiante: cómo la topografía de la superficie mata las bacterias y repele el polvo
Una vez que la proteína se unió con éxito a la superficie de cobre, el siguiente paso fue explorar cómo se podía modificar su estructura para dotarla de funcionalidades adicionales. Mediante el diseño de la topografía a nanoescala del recubrimiento, nuestro objetivo era replicar superficies naturales que no solo mantuvieran el rendimiento térmico, sino que también resistieran el crecimiento bacteriano y la contaminación.
Una vez más, nos inspiramos en la naturaleza, esta vez en las alas de las libélulas y las cigarras. Estos insectos tienen superficies nanoestructuradas que impiden de forma natural la adhesión de bacterias mediante un principio de exclusión por tamaño: cuando las características de la superficie son más pequeñas que las células bacterianas, el área disponible para la adhesión se reduce drásticamente.
Sus alas están cubiertas por una disposición altamente ordenada de nanopilares perpendiculares a la superficie. Cuando las bacterias intentan adherirse, estos pilares se estiran y rompen la membrana celular, lo que provoca la lisis celular. Este mecanismo puramente físico permite que nuestra nanocapa mantenga su propiedad antibacteriana sin necesidad de recurrir a productos químicos ni antibióticos.
https://doi.org/10.1002/admi.202201425
También se plantea la hipótesis de que el mismo principio se aplica al polvo y los sedimentos. La estructura ordenada de nanopilares limita la capacidad de estos contaminantes para depositarse, lo que confiere a la superficie un efecto autolimpiante.
El prototipo: banco de pruebas en el mundo real
Basándonos en los conocimientos adquiridos sobre las nanoestructuras naturales, procedimos a implementar nuestro recubrimiento bioingenieril en un montaje experimental. Este prototipo se desarrolló para evaluar cuantitativamente la conductividad térmica, la resistencia a las incrustaciones y el rendimiento antibacteriano del recubrimiento en condiciones controladas de intercambio de calor representativas de aplicaciones del mundo real.
La configuración experimental evalúa la eficiencia de transferencia térmica de las láminas de intercambiadores de calor de cobre en tres condiciones de recubrimiento:
- Cobre puro sin tratar
- Cobre con crecimiento de biopelícula
- Cobre recubierto con proteínas de seda de araña modificadas.
El objetivo es simular condiciones reales de ensuciamiento en intercambiadores de calor aire-líquido y medir el efecto de los recubrimientos superficiales en el rendimiento térmico.
La configuración experimental se dividirá en tres partes diferentes: el sistema de calorimetría, la tapa del intercambiador de calor especializado y el control del flujo de aire y del entorno.
Sistema calorimétrico
Una copa calorimétrica es uno de los equipos termodinámicos más básicos que se utilizan en experimentos. Consiste en una copa fabricada con material aislante térmico y servirá como depósito de calor principal en el siguiente experimento. El experimento comenzará llenando esta copa con agua a 100 °C, pero las mediciones oscilarán entre 80 °C y 40 °C, lo que garantizará un gradiente térmico inicial constante.
Se sumergirá una sonda de temperatura (con una precisión de ±0,1 °C) en el agua para supervisar y registrar continuamente su temperatura. Además, el recipiente se sellará con una tapa especial, lo que minimizará las pérdidas por evaporación y actuará como intercambiador de calor entre el agua y el aire ambiente.
Conjunto intercambiador de calor
Diseñamos el conjunto de la tapa como una interfaz de transferencia térmica modular, optimizada para pruebas experimentales de proteínas en condiciones reales de intercambio de calor. Consta de tres componentes diseñados con precisión:
- 15 varillas de aluminio con rosca M4 de 84 mm, encargadas de transferir la energía térmica del medio acuático a la superficie de la tapa. Se seleccionó el aluminio por su elevada relación entre conductividad térmica y precio, lo que garantiza la rapidez de los experimentos con bajos costes.
- Una tapa de aluminio mecanizada a medida, con 15 puertos roscados para las varillas de aluminio y 6 «rieles» fresados en la superficie superior. Esto garantizará un intercambio de calor adecuado entre las varillas y las láminas.
- Seis placas de intercambio térmico de cobre de 1 mm, colocadas en los rieles fresados para facilitar la transferencia de calor desde las varillas a través de la tapa al aire circundante. Actualmente, la estructura cristalina del cobre permite la unión correcta para intercambiar el calor conducido con el aire ambiente. Estas se montan en la parte superior de la tapa, en el riel prefresado.
Todas las interfaces de contacto entre las varillas, la tapa y las láminas de cobre se unirán mediante pasta térmica y adhesivo resistente a altas temperaturas para minimizar la resistencia térmica interfacial y mejorar la eficiencia de la conducción.
Filosofía y limitaciones del diseño
La tapa se diseñó teniendo en cuenta la facilidad de fabricación y la modularidad. Además, dada la financiación limitada del proyecto, dimos prioridad al uso de materiales disponibles en el mercado, producidos en serie y que se pudieran adquirir en ferreterías locales. En consecuencia, solo la tapa requirió un mecanizado CNC personalizado, lo que simplificó la replicación y la escalabilidad con una financiación limitada.
Las consideraciones clave incluyeron:
- Compatibilidad con la copa calorimétrica estándar, lo que garantiza un sellado térmico adecuado. Se diseñó una interfaz de doble diámetro con una base exterior de 100 mm y una base empotrada de 75 mm. Esto proporcionará un ajuste perfecto, minimizando las pérdidas de calor.
- Una matriz de varillas montada en la parte inferior para mantener una transferencia de calor constante desde el medio fluido hacia arriba hasta la tapa conductora.
- Configuración de placas de cobre ajustables y reemplazables, lo que permite colocar un número diferente de placas paralelas.
Consideraciones experimentales
En la configuración experimental, las placas de cobre funcionarán como superficie de prueba para la evaluación de nuestras proteínas antiincrustantes y transportadoras de calor.
Dependiendo del experimento, estas placas serán:
- Sin tratar como muestra de control de referencia,
- Contaminado intencionadamente con biopelícula y sedimentos para simular la contaminación real.
- Recubierto con proteínas modificadas que permiten evaluar comparativamente el rendimiento térmico y la resistencia a las incrustaciones en la práctica.
Este diseño modular y optimizado termodinámicamente permite a nuestro equipo evaluar cuantitativamente cómo influye el recubrimiento biológico en el rendimiento de la transferencia de calor, lo que supone el primer paso hacia la creación de materiales bioinspirados sostenibles y eficientes para intercambiadores de calor.
Control del flujo de aire y del ambiente
Todo el conjunto de intercambio de calor se colocará en una cámara de plástico cerrada para reducir aún más el riesgo de errores imprevistos. Todo este conjunto se colocará dentro de una campana extractora para eliminar los cambios de humedad y mantener una temperatura constante en la entrada del flujo de aire. Aquí se colocará un ventilador axial de corriente continua para aumentar el flujo de aire a través de las láminas de cobre, simulando la convección forzada del mundo real.
Se colocarán dos sensores de monitorización entre los ventiladores y las placas conductoras de cobre para garantizar que se dan las mismas condiciones en los tres sub-experimentos, incluyendo un sensor de temperatura para monitorizar la temperatura del aire de entrada y un sensor de presión para validar un caudal volumétrico constante.
Esta configuración permitirá cuantificar la absorción de calor del lado del aire, al tiempo que garantiza condiciones límite estables en todas las réplicas.
Del prototipo a la práctica
Hasta ahora, hemos logrado expresar con éxito nuestras proteínas modificadas genéticamente y hemos conseguido acoplarlas a superficies de cobre. La siguiente fase de nuestro trabajo se centrará en evaluar las propiedades antimicrobianas de la nanoestructura y valorar su escalabilidad.
A continuación, utilizando nuestro sistema prototipo modular, probaremos la conductividad térmica de las placas de cobre recubiertas y las expondremos a entornos controlados de flujo de aire, humedad y ensuciamiento para simular las tensiones operativas reales. Esto nos permitirá cuantificar las mejoras en la eficiencia de la transferencia de calor, la resistencia al bioensuciamiento y la durabilidad en comparación con las superficies de cobre sin tratar o ensuciadas.
En última instancia, tenemos previsto aplicar nuestro recubrimiento proteico a intercambiadores de calor a gran escala para evaluar su impacto en el rendimiento térmico en un sistema real y validar su aplicación en unidades de climatización y centros de datos. Al introducir una tecnología completamente nueva en un campo que nunca había considerado una solución biológica para contrarrestar sus defectos, CoreSpin pretende impulsar el futuro con eficiencia.
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