Los descubrimientos científicos a menudo surgen al darse cuenta de lo inesperado. Tal fue el caso cuando los investigadores de Stanford, al estudiar un pequeño dispositivo que se ha vuelto cada vez más importante en el diagnóstico de enfermedades y el descubrimiento de fármacos, observaron la sorprendente forma en que canalizaba miles de gotas de agua en un único archivo ordenado, exprimiéndolos gota a gota, fuera de la punta del dispositivo.
En lugar de ocurrir al azar, las gotas siguieron un patrón predecible. Estas observaciones llevaron al estudiante de posgrado Ya Gai y Sindy KY Tang, profesora asistente de ingeniería mecánica, a deducir las reglas matemáticas y entender por qué existen tales reglas. El trabajo fue publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Todo comenzó con un esfuerzo por diseñar dispositivos pequeños llamados chips microfluídicos, diseñados para automatizar y acelerar la investigación biomédica. En el pasado, los experimentos de laboratorio implicaban el uso de un gotero para depositar muestras biológicas en un tubo de ensayo para observación.
Pero los dispositivos microfluídicos funcionan de manera mucho más eficiente. Aproximadamente del tamaño de un sello postal, están hechos de silicona que contiene muchos canales delgados a través de los cuales los investigadores pueden bombear pequeñas cantidades de fluidos. Los dispositivos permiten a los investigadores colocar una muestra en una gota de aguarodeado por una fina película de aceite. Esa gota se convierte en el tubo de ensayo. La película aceitosa mantiene cada gota y muestra separadas.
Los chips microfluídicos desarrollados en el Laboratorio Tang pueden crear millones de estas gotitas que contienen muestras rápidamente. Las gotitas de flujo constante finalmente se canalizan en un solo archivo más allá de un instrumento que observa la muestra dentro de la gotita.
"Al estudiar la física del flujo de las gotitas en el embudo, observamos que, contrariamente a nuestras expectativas, las gotitas se malabaran entre sí de una manera muy ordenada a medida que se aprietan desde el extremo ancho hasta el extremo estrecho del embudo,que puede caber solo una gota a la vez ", dijo Tang.
El equipo vio paquetes de gotas deslizándose uno contra el otro, algo que se ve más típicamente en cristales sólidos. "Eso nos hizo considerar conceptos de mecánica sólida", dijo Tang. Ella invitó a Wei Cai, otro ingeniero mecánico que estudia cómo los átomosmoverse en cristales, para unir el esfuerzo.
"Stanford Mechanical Engineering es un gran lugar para estar, ya que el medio ambiente promueve esfuerzos de colaboración, en este caso entre microfluídica y mecánica de sólidos", dijo Tang.
Si bien las gotitas de agua son blandas y los metales parecen sólidos, si se aleja más allá de lo visible, las pequeñas gotas recubiertas de aceite se parecen a los átomos de metal envueltos en nubes de electrones.
"Ambos ocupan espacio", dijo Cai. "No se pueden poner dos átomos o dos gotas en el mismo lugar". Los investigadores descubrieron que cuando se aplica la fuerza, como cuando se usa presión microfluídica para forzar el paso de las gotasel embudo: se aprietan unos contra otros y se mueven de acuerdo con las leyes de la mecánica.
Cuando los cristales se deforman, se forman defectos llamados dislocaciones y se mueven a través de la red para transportar los átomos. Resulta que el patrón periódico de gotitas es el resultado de la dinámica de dislocación que también ocurre cuando los sólidos cristalinos se deforman.
"Más allá de la relevancia inmediata para la microfluídica, creemos que nuestros hallazgos algún día podrían aplicarse para formar nanocristales en formas precisas", dijo Tang. Los investigadores aún no tienen una forma de ejercer el tipo de presión constante sobre los átomos de metal que los chips microfluídicospuede hacer con gotas de agua separadas por aceite.
El proceso correspondiente para la formación de metal se llama extrusión; también es lo que sucede cuando presionamos el extremo ancho del tubo de pasta de dientes para depositar un poco en nuestro cepillo. Si los tecnólogos encuentran una manera de extruir átomos a través de un canal a nanoescala, unopodría imaginarse que los átomos se canalizan al igual que las gotas de agua en el canal microfluídico.
Y si tal extrusión a nanoescala es posible con átomos metálicos, este experimento sugiere que puede usarse para producir nanocables con precisión de diámetro hasta un solo átomo.
"Vimos algo desconcertante, hicimos las preguntas correctas y aprendimos algo útil no solo para el problema que estamos estudiando, sino también para un campo completamente diferente, en este caso, cómo se podría fabricar nanocristales", dijo Tang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Tom Abate. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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