Desde mediados de la década de 1600, los químicos han estado fascinados con las estructuras similares a corales de colores brillantes que se forman al mezclar sales metálicas en una botella pequeña.

Hasta ahora, los investigadores no han podido modelar cómo funcionan estas estructuras tubulares engañosamente simples, llamadas jardines químicos, y los patrones y reglas que gobiernan su formación.

En un artículo publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores de la Universidad Estatal de Florida presentan un modelo que explica cómo estas estructuras crecen hacia arriba, toman diferentes formas y cómo pasan de ser un material flexible que se autorrepara a un más uno quebradizo

« En un contexto de materiales, es muy interesante », dijo el profesor de Química y Bioquímica de la FSU, Oliver Steinbock. « No crecen como los cristales. Un cristal tiene esquinas bien afiladas y crece átomo capa por capa átomo. Y cuando se produce un agujero en un jardín químico, es autocurativo. Estos son realmente los primeros pasos en el aprendizaje de cómo hacer materiales que pueden reconfigurarse y repararse a sí mismos ».

Por lo general, los jardines químicos se forman cuando las partículas de sal metálica se colocan en una solución de silicato. La sal que se disuelve reacciona con la solución para crear una membrana semipermeable que se expulsa hacia arriba en la solución, creando una estructura de apariencia biológica, similar al coral.

Los científicos observaron los jardines químicos por primera vez en 1646 y durante años han estado fascinados con sus interesantes formaciones. La química está relacionada con la formación de respiraderos hidrotermales y la corrosión de las superficies de acero donde se pueden formar tubos insolubles.

« La gente se dio cuenta de que estas eran cosas peculiares », dijo Steinbock. « Tienen una historia muy larga en química. Se convirtió más en un experimento de demostración, pero en los últimos 10 a 20 años, los científicos volvieron a interesarse en ellos ».

La inspiración para el modelo matemático desarrollado por Steinbock, junto con el investigador postdoctoral Bruno Batista y la estudiante graduada Amari Morris, provino de experimentos en los que se inyectaba constantemente una solución salina en un volumen mayor de solución de silicato entre dos placas horizontales. Estos mostraron distintos modos de crecimiento y que el material comienza siendo elástico, pero a medida que envejece, el material se vuelve más rígido y tiende a romperse.

El confinamiento entre dos capas permitió a los investigadores simular una serie de patrones de formas diferentes, algunos que parecían flores, cabello, espirales y gusanos.

En su modelo, los investigadores describieron cómo surgen estos patrones a lo largo del desarrollo del jardín químico. Las soluciones de sal pueden variar mucho en composición química, pero su modelo explica la universalidad en la formación.

Por ejemplo, los patrones pueden consistir en partículas sueltas, membranas plegadas o filamentos autoextensible. El modelo también validó las observaciones de que las membranas frescas se expanden en respuesta a las microbrechas, lo que demuestra las capacidades de autorreparación del material.

« Lo bueno que obtuvimos es que llegamos a la esencia de lo que se necesita para describir la forma y el crecimiento de los jardines químicos », dijo Batista.