Un equipo de matemáticos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y la Universidad de Brown ha descubierto un nuevo fenómeno que genera una fuerza fluídica capaz de mover y unir partículas sumergidas en fluidos en capas de densidad. El avance ofrece una alternativa a las suposiciones anteriores sobre cómo las partículas se acumulan en lagos y océanos y podría dar lugar a aplicaciones en la localización de puntos críticos biológicos. limpiando el medio ambiente e incluso en la clasificación y embalaje.
Cómo la materia se asienta y se agrega bajo gravitación en sistemas fluidos, como lagos y océanos, es un área amplia e importante de estudio científico, uno que impacta enormemente a la humanidad y al planeta. Considere "nieve marina, "la lluvia de materia orgánica que cae constantemente de las aguas superiores a las profundidades del océano. No solo la nieve marina rica en nutrientes es esencial para la cadena alimentaria mundial, pero sus acumulaciones en las profundidades saladas representan el sumidero de carbono más grande de la Tierra y uno de los componentes menos comprendidos del ciclo del carbono del planeta. También existe la creciente preocupación por los microplásticos que se arremolinan en los giros oceánicos.
Durante mucho tiempo se ha entendido que la acumulación de partículas oceánicas es el resultado de colisiones y adherencias fortuitas. Pero un fenómeno completamente diferente e inesperado está operando en la columna de agua, según un artículo publicado el 20 de diciembre en Comunicaciones de la naturaleza por un equipo dirigido por los profesores Richard McLaughlin y Roberto Camassa del Centro de Carolina para Matemáticas Aplicadas Interdisciplinarias en la Facultad de Artes y Ciencias, junto con su estudiante graduado de UNC-Chapel Hill, Robert Hunt y Dan Harris de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown.
En el papel, los investigadores demuestran que las partículas suspendidas en fluidos de diferentes densidades, como el agua de mar de diferentes capas de salinidad, exhiben dos comportamientos previamente desconocidos. Primero, las partículas se autoensamblan sin atracción electrostática o magnética o, en el caso de microorganismos, sin dispositivos de propulsión como batir flagelos o cilios. Segundo, se agrupan sin necesidad de adhesivo u otras fuerzas de unión. Cuanto mayor sea el grupo, cuanto más fuerte es la fuerza de atracción.
Como tantos descubrimientos, este empezó accidentalmente, hace un par de años, durante una demostración para VIP que visitan el laboratorio conjunto de fluidos de matemáticas aplicadas y ciencias marinas que dirigen Camassa y McLaughlin. El par, fascinado durante mucho tiempo con los fluidos estratificados, con la intención de mostrar un truco de salón favorito:cómo las esferas arrojadas a un tanque de agua salada "rebotan" en su camino hacia el fondo, siempre que el fluido esté uniformemente estratificado por densidad. Pero el estudiante graduado a cargo del experimento cometió un error al establecer la densidad del fluido inferior. Las esferas rebotaron y luego colgaron allí, sumergido pero sin hundirse hasta el fondo.
"Y luego tomé una buena decisión, "dijo McLaughlin, "para no limpiar el desorden". Vete a casa, le dijo al estudiante de posgrado. Bien, lidiar con eso más tarde. A la mañana siguiente, las bolas seguían suspendidas, pero habían comenzado a agruparse, a autoensamblarse sin razón aparente.
Los investigadores finalmente descubrieron la razón, aunque tomó más de dos años de estudios experimentales de referencia y muchas matemáticas.
Puede ver el fenómeno en funcionamiento en un video que produjeron los investigadores. Las microperlas de plástico que se dejan caer en un recipiente de agua salada cubierto con agua dulce menos densa son empujadas hacia abajo por la fuerza de la gravedad y empujadas hacia arriba por la flotabilidad. Mientras cuelgan suspendidos la interacción entre la flotabilidad y la difusión, que actúa para equilibrar el gradiente de concentración de sal, crea flujos alrededor de las microperlas, haciendo que se muevan lentamente. En lugar de moverse al azar, sin embargo, se agrupan, resolviendo sus propios rompecabezas. A medida que crecen los racimos, la fuerza del fluido aumenta.
"Es casi como si hubiéramos descubierto una nueva fuerza efectiva, ", Dijo Camassa.
El descubrimiento de este mecanismo del primer principio previamente desconocido abre las puertas para comprender cómo se organiza la materia en el medio ambiente. En cuerpos de agua altamente estratificados, como los estuarios y las profundidades del océano, Ser capaz de comprender matemáticamente el fenómeno puede permitir a los científicos modelar y predecir la ubicación de puntos críticos biológicos. incluidas las zonas de alimentación de peces comerciales o especies en peligro de extinción. Aprovechar el poder del fenómeno también podría conducir a mejores formas de localizar microplásticos oceánicos o incluso petróleo de derrames de petróleo en aguas profundas. O, en una versión de tamaño industrial del experimento Fluids Lab, el mecanismo podría usarse para clasificar materiales de diferentes densidades, por ejemplo, diferentes colores de vidrio reciclable triturado.
"Llevamos años trabajando con sistemas estratificados, normalmente mirando cómo las cosas caen a través de ellos, ", Dijo McLaughlin." Esta es una de las cosas más emocionantes que he encontrado en mi carrera ".
