_ Cercetătorii au găsit joncțiunea este esențială în modul în care geometria spațiului porilor afectează transportul substanțelor prin fluide

Ce legi guvernează modul în care substanțele chimice trec prin filtre? Cum se deplasează picăturile de ulei prin straturile de piatră? Cum circulă celulele sângelui printr-un organism viu? O echipă de cercetători condusă de Universitatea Tehnică din München (TUM) și Institutul Max Planck pentru Dinamică și Autoorganizare (MPI-DS) a descoperit modul în care geometria spațiului porilor influențează transportul substanțelor prin fluide.

Concentrarea necesită energie. Pe măsură ce citiți acest articol, vasele de sânge din creier se extind, iar viteza fluxului sanguin încetinește, astfel încât „neuronii de citire” să primească mai multe molecule de glucoză și oxigen din fluxul sanguin.

„Totul se întâmplă. fără nicio acțiune din partea noastră. Prin evoluție, natura și-a dezvoltat capacitatea de a adapta fluxul sanguin exact pentru a se potrivi cerințelor în schimbare ale organismelor", explică Karen Alim, profesor de Teoria rețelelor biologice TUM și liderul grupului de cercetare Max Planck la MPI. -DS. „Obiectivul nostru este să înțelegem fizica care stă la baza acestei rețele adaptive.”

Echipa de cercetare, care a inclus oameni de știință de la Universitatea Nottingham Trent, este acum un pas mare mai aproape de acest obiectiv: pentru prima dată, noul lor modelul descrie modul în care transportul substanțelor prin medii poroase complexe este controlat de structurile microscopice ale mediilor.

Mediile poroase — în organisme la fel ca în materialele produse tehnic — sunt caracterizate de un sistem complex de cavități care pot să fie pătruns de fluide care transportă anumite substanțe: În organismele vii miliarde de celule sunt furnizate de vase de sânge mici și chiar minuscule; apa și uleiul pot circula prin porii din gresie, iar bioreactoarele și filtrele conțin materiale catalizatoare poroase care măresc suprafața reactivă.

Secretul microfluxurilor

Pentru a investiga principiul flux-fizic care stă la baza aceste mișcări, Alim și echipa ei au ales o nouă abordare experimentală: ca model pentru mediile poroase, cercetătorii au ales microcipuri pe care apoi le-au echipat cu obstacole mici, în formă de stâlp, înainte de a lăsa un fluid colorat să curgă prin cipuri.

Ei au investigat trei geometrii diferite de obstrucție: în prima variantă stâlpii mici au fost poziționați pe un model de bază perfect simetric, în al doilea caz au existat ușoare abateri de la această simetrie și în al treilea caz stâlpii au fost aranjați într-un model haotic . Cercetătorii au măsurat apoi cât de uniform s-a dispersat lichidul colorat prin întregul spațiu al porilor.

„Rezultatul a fost o surpriză completă”, își amintește autorul principal, Felix Meigel. Cercetătorii se așteptau ca lichidul să pătrundă în cip cu modelul simetric cel mai eficient. Dar, de fapt, transportul culorii a fost doar mediocru aici: culoarea s-a dispersat întotdeauna de-a lungul direcției curgerii, dar nu s-a mutat în spațiile porilor învecinate.

Cel mai performant a fost totuși cipul cu puțin obstacole dispuse neregulat: Aici lichidul marcat cu culoare șerpuia înainte și înapoi și astfel a umplut rapid întreg spațiul porilor. Cele mai proaste rezultate au venit de la cip cu obstacole aranjate aleator: aici s-au format zone pe care lichidul colorat nu a reușit deloc să ajungă; eficiența de transport a lichidului a fost în mod corespunzător slabă.

Bramificarea este cheia

Oamenii de știință au putut acum să folosească calcule pentru a explica fenomenul: „Cheia pentru înțelegerea a ceea ce se întâmplă a fost rețeaua pe care o formează porii”, spune Alim. „Cercetările anterioare s-au concentrat asupra porilor individuali, ceea ce a făcut imposibilă examinarea întregului sistem complex. Am putut arăta că factorul decisiv este împrejurimile imediate ale porilor”.

Astfel, modul în care lichidul se dispersează depinde în primul rând de ramificarea spațiilor porilor, unitățile porilor-joncțiuni. Asemenea joncțiunilor dintr-un sistem de conducte de apă, ele controlează direcția și viteza curgerii.

„Rezultatele pot ajuta acum la dezvoltarea materialelor în care lichidele se pot dispersa optim”, prezice Alim, adăugând că acest lucru ar putea ajuta la optimizarea transportului ionilor în baterii sau la creșterea eficienței catalizatorilor și filtrelor care depind de cât de bine circulă reactivii lichizi în jurul unui catalizator sau material absorbant.

Și nu în ultimul rând, spune ea, noile descoperiri vor ajuta la o mai bună înțelegere a dinamicii rețelelor de vene în organismele vii. În următorul său proiect, fizicianul intenționează să investigheze modul în care neurotransmițătorii controlează optimizarea transportului sanguin.

Descoperirile sunt publicate în revista Nature Communications.

(Fluierul)