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 el transporte de partículas coloidales, carga diminuta suspendida en sustancias como líquidos o geles, más rápidamente de lo que es posible actualmente por difusión.

La fricción del fluido determina la inercia a microescala en el fluido. Esto significa, por ejemplo, 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 en La Revista de Física Química aplicaron y luego ampliaron un modelo de filamentos activos que incluye estas interacciones hidrodinámicas de fricción, específicamente en lo que se refiere al análisis de velocidad y eficiencia del transporte de partículas coloidales.

Al hacerlo, los investigadores pudieron diseñar un motor de transporte activo realizable, Avanzar 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, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del Instituto Indio de Tecnología de Madrás. "Experimentos recientes demostraron que la 'paliza' similar a un flagelo se puede lograr in vitro, demostrando que es posible obtener un movimiento de 'latido' periódico sin una compleja regulación biológica ".

Combinando este concepto de regulación biológicamente independiente con "síntesis exitosa de autopropulsión, partículas inorgánicas, "él también dijo, 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, que data 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 a principios 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 para una amplia variedad de usos, "Dijo Manna. Y tal variedad la ofrece un hallazgo sorprendente.

"La velocidad y la eficiencia no están relacionadas en 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 en una breve ráfaga para lograr 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. Más generalmente, 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 pasado dentro de esta área es una guía, Esperamos que algunas de estas tecnologías sean factibles dentro de una década aproximadamente, "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, mirar geometrías que son más como capilares ramificados, explorar diseños para una mayor eficiencia energética, y también colaborar más estrechamente con los experimentadores ".