Inspirado por los movimientos de la naturaleza a microescala, un grupo de investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Madrás y el Instituto de Ciencias Matemáticas, en Chennai, India, ha desarrollado un nuevo diseño para transportar partículas coloidales, una carga diminuta suspendida en sustancias comocomo fluidos o geles, más rápidamente de lo que actualmente es posible por difusión.
La fricción del fluido determina la inercia a microescala en el fluido. Esto significa, por ejemplo, que las células sanguíneas que nadan dentro de la sangre encuentran aproximadamente la misma cantidad de arrastre que experimentaría un ser humano al intentar nadar a través de la melaza.
como informa el grupo Revista de física química , de AIP Publishing, aplicaron y luego ampliaron un modelo de filamentos activos que incluye estas interacciones hidrodinámicas de fricción, específicamente en lo que respecta al análisis de velocidad y eficiencia del transporte de partículas coloidales.
Al hacerlo, los investigadores pudieron diseñar un motor de transporte activo realizable, avanzando significativamente el estado del arte para estudiar el papel crucial de la conservación del impulso en los sistemas activos.
"Los microorganismos han desarrollado orgánulos especializados, como cilios y flagelos, para superar los desafíos de, en palabras del premio Nobel [Edward] Purcell, 'la vida en un número bajo de Reynolds'", dijo Raj Kumar Manna, un estudiante de posgradoen el Departamento de Física del Instituto Indio de Tecnología de Madrás. "Experimentos recientes demostraron que la 'paliza' similar a un flagelo se podía lograr in vitro, lo que demuestra que es posible obtener un movimiento de 'palpitación' periódico sin una regulación biológica compleja".
La combinación de este concepto de regulación biológicamente independiente con "síntesis exitosa de partículas inorgánicas autopropulsadas", dijo también, les permitió crear un sistema de transporte microscópico completamente artificial.
El grupo inicialmente se propuso estudiar diseños de tales sistemas de transporte mediante simulación por computadora para encontrar diseños para su "síntesis final" dentro del laboratorio.
Según Manna, la mayoría de los conceptos involucrados en su trabajo tienen más de un siglo de antigüedad, y datan de mediados del siglo XIX con el trabajo del matemático George Stokes sobre las ecuaciones del mismo nombre para el flujo viscoso lento. El físico Marian Smoluchowski luego usó ese trabajo enprincipios del siglo XX para calcular la fricción, o la llamada "interacción hidrodinámica", entre partículas esféricas que se mueven en un fluido viscoso. "Aplicamos estas técnicas a la nueva situación de nadar dentro de un fluido viscoso", dijo Manna.
Con estas técnicas demostraron que es posible transportar carga coloidal a través de filamentos activos sintéticos. "Hemos proporcionado un diseño para un motor de motilidad totalmente biocompatible que se puede utilizar en una amplia variedad de usos", dijo Manna. Y tal variedades ofrecido por un hallazgo sorprendente.
"La velocidad y la eficiencia no están relacionadas dentro de estos sistemas", dijo Manna. "Como analogía, considere la energía gastada por un velocista de 100 metros y un corredor de maratón. Para un presupuesto de energía dado, se puede gastar enuna breve ráfaga para lograr una alta velocidad, o más lentamente para alcanzar largas distancias. Esto requiere diferentes consideraciones de diseño, por lo que nuestro trabajo proporciona una forma de cambiar el comportamiento de nuestro nadador sintético entre estos dos modos ".
El trabajo tiene implicaciones potenciales para procedimientos como la inseminación y la administración de fármacos dirigidos. De manera más general, el trabajo es relevante para intervenciones terapéuticas donde la motilidad defectuosa en fisiología es un problema.
"Es difícil predecir el momento en que un diseño de computadora se realizará de manera experimental y luego ir más allá de los ensayos clínicos al uso médico. Pero, si el desarrollo anterior dentro de esta área sirve de guía, esperamos que algunas de estas tecnologías sean factibles dentro deuna década más o menos ", dijo Manna.
En cuanto a lo que sigue para el grupo, Manna dijo: "Nos gustaría incluir grados crecientes de realismo en nuestro análisis para lograr un entorno más parecido a la sangre, observar geometrías que son más como capilares ramificados, explorar diseños paramayor eficiencia energética, y también colaborar más estrechamente con los experimentadores ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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