02.12.2022 - Technische Universität München

La unión es la clave: Los investigadores descifran la dinámica de transporte de los medios porosos

¿Qué leyes rigen el paso de las sustancias químicas a través de los filtros? ¿Cómo se mueven las gotas de aceite a través de las capas de piedra? ¿Cómo viajan las células sanguíneas a través de un organismo vivo?

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPI-DS) ha descubierto cómo la geometría del espacio poroso influye en el transporte de sustancias a través de los fluidos.

La concentración requiere energía. Mientras lees este artículo, los vasos sanguíneos de tu cerebro se expanden y la velocidad del torrente sanguíneo disminuye para que tus "neuronas lectoras" reciban más moléculas de glucosa y oxígeno del torrente sanguíneo. "Todo esto ocurre sin ninguna acción por nuestra parte. A través de la evolución, la naturaleza ha desarrollado la capacidad de adaptar el flujo sanguíneo exactamente a las necesidades cambiantes de los organismos", explica Karen Alim, catedrática de la TUM para la teoría de las redes biológicas y jefa del grupo de investigación Max Planck en el MPI-DS. "Nuestro objetivo es comprender la física subyacente a esta red adaptativa".

El equipo de investigación, que incluye a científicos de la Universidad de Nottingham Trent, está ahora un gran paso más cerca de este objetivo: por primera vez, su nuevo modelo describe cómo el transporte de sustancias a través de medios porosos complejos está controlado por las estructuras microscópicas del medio.

Los medios porosos -tanto en los organismos como en los materiales producidos técnicamente- se caracterizan por un complejo sistema de cavidades en las que pueden penetrar los fluidos que transportan determinadas sustancias: En los organismos vivos, miles de millones de células son abastecidas por pequeños e incluso minúsculos vasos sanguíneos; el agua y el aceite pueden circular a través de los poros de la arenisca, y los biorreactores y filtros contienen materiales catalizadores porosos que aumentan la superficie reactiva.

El secreto de los microflujos

Para investigar el principio físico del flujo que subyace a estos movimientos, Alim y su equipo eligieron un nuevo enfoque experimental: como modelo de medio poroso, los investigadores eligieron microchips a los que dotaron de pequeñas obstrucciones en forma de pilar antes de dejar que un fluido coloreado fluyera a través de los chips. Investigaron tres geometrías de obstrucción diferentes: En la primera variación, los diminutos pilares se colocaron sobre un patrón básico perfectamente simétrico, en el segundo caso hubo ligeras desviaciones de esta simetría y en el tercero los pilares se dispusieron en un patrón caótico. A continuación, los investigadores midieron la uniformidad con la que el líquido coloreado se dispersaba por todo el espacio de los poros.

"El resultado fue una completa sorpresa", recuerda el autor principal, Felix Meigel. Los investigadores esperaban que el líquido penetrara en el chip con el patrón simétrico de forma más eficiente. Pero, de hecho, el transporte de color fue sólo mediocre en este caso: El color siempre se dispersaba a lo largo de la dirección del flujo, pero no se movía hacia los espacios de los poros vecinos. Sin embargo, el chip con obstrucciones ligeramente irregulares fue el que mejor funcionó: En este caso, el líquido marcado con color se desplazó de un lado a otro y llenó rápidamente todo el espacio de los poros. Los peores resultados se obtuvieron en el chip con obstrucciones dispuestas al azar: Aquí se formaron áreas a las que el líquido coloreado no llegó en absoluto; la eficiencia del transporte del líquido fue correspondientemente pobre.

La ramificación es la clave

Ahora los científicos han podido explicar el fenómeno mediante cálculos: "La clave para entender lo que ocurría era la red que forman los poros", dice Alim. "Las investigaciones anteriores se centraban en los poros individuales, lo que impedía examinar el complejo sistema global. Pudimos demostrar que el factor decisivo es el entorno inmediato de los poros". Así, la forma en que el líquido se dispersa depende principalmente de la ramificación de los espacios de los poros, las unidades de unión de los poros. Como las uniones en un sistema de tuberías de agua, controlan la dirección y la velocidad del flujo.

"Los resultados pueden ayudar ahora al desarrollo de materiales en los que los líquidos puedan dispersarse de forma óptima", predice Alim, y añade que esto podría ayudar a optimizar el transporte de iones en las baterías o a aumentar la eficacia de los catalizadores y filtros, que dependen de lo bien que circulen los reactivos líquidos alrededor de un catalizador o material absorbente. Y por último, pero no menos importante, dice, los nuevos hallazgos ayudarán a comprender mejor la dinámica de las redes venosas en los organismos vivos. En su próximo proyecto, la física tiene previsto investigar cómo los neurotransmisores controlan la optimización del transporte de la sangre.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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