Si bien las fascinantes manchas en una lámpara de lava clásica pueden parecer mágicas, las formas coloridas se mueven en respuesta a los cambios inducidos por la temperatura en la densidad y la tensión superficial. Este proceso, conocida como separación de fase líquido-líquido, es fundamental para muchas funciones en las células vivas, y participa en la fabricación de productos como medicamentos y cosméticos.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Princeton han superado un gran desafío en el estudio y la ingeniería de la separación de fases. Su sistema, informó en un artículo publicado el 19 de noviembre en Cartas de revisión física, permite el diseño y control de mezclas complejas con múltiples fases, como estructuras anidadas que recuerdan a las muñecas matryoshka rusas, que son de especial interés para aplicaciones tales como síntesis y administración de fármacos.

Su sistema proporciona a los investigadores una nueva forma de examinar, predecir y diseñar interacciones entre múltiples fases líquidas, incluyendo arreglos de mezclas con un número arbitrario de fases separadas, dijeron los investigadores.

La disposición de las fases se basa en la minimización de las energías superficiales, que capturan las energías de interacción entre moléculas en las interfaces de fases. Esto tiende a maximizar el área de contacto entre dos fases con baja tensión superficial, y minimizar o eliminar el contacto entre fases con alta tensión superficial.

El nuevo método utiliza las herramientas matemáticas de la teoría de grafos para rastrear qué fases se contactan entre sí dentro de una mezcla. El método puede predecir la disposición final de las fases en una mezcla cuando se conocen las energías superficiales, y también se puede utilizar para realizar ingeniería inversa en las propiedades de la mezcla que dan lugar a las estructuras deseadas.

"Si nos dice qué fases tiene y cuáles son las tensiones superficiales, podemos decirle cómo se organizarán las fases. También podemos hacerlo al revés:si sabe cómo desea que se organicen las fases, podemos decirle qué tensiones superficiales son necesarias, "dijo el autor principal Andrej Košmrlj, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial.

"El enfoque es muy general, y creemos que tendrá un impacto en muchos campos diferentes, "desde la biología celular y los productos farmacéuticos hasta la impresión 3D y las tecnologías de secuestro de carbono, dijo Košmrlj.

El trabajo comenzó como el periódico junior de Milena Chakraverti-Wuerthwein, un concentrador de física de la promoción 2020 de Princeton. Estaba trabajando con Sheng Mao, luego un asociado de investigación postdoctoral en el grupo de Košmrlj, basándose en investigaciones anteriores que exploraron mezclas de fases separadas. Ese trabajo desarrolló un marco computacional para predecir el número de fases separadas y su composición, pero no investigó sistemáticamente la disposición real de las fases.

Chakraverti-Wuerthwein comenzó a dibujar ejemplos de mezclas multicomponente, con cada fase representada por un color diferente. En un punto, ella dijo, sentía que estaba "dando vueltas, "pero luego" dio un paso atrás y pensó en el rasgo distintivo que hace que una de estas morfologías sea diferente de otra. Se me ocurrió la idea de que en realidad son los bordes donde las fases se tocan entre sí. Ese fue el nacimiento de la idea de usar los gráficos, "en el que cada fase está representada por un punto de color, y las líneas entre puntos indican qué fases se tocan entre sí en una mezcla.

"Esa fue la chispa que necesitábamos, porque una vez que puedes representarlo en términos de gráficos, entonces es muy fácil enumerar todas las posibilidades "para diferentes arreglos de fases, dijo Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein es coautor principal del artículo junto con Mao, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Pekín en China. Coautor Hunter Gaudio, un graduado de 2020 de la Universidad de Villanova, ayudó a ejecutar simulaciones para producir todos los arreglos distintos de cuatro fases durante el verano de 2019 como participante en el programa Princeton Center for Complex Materials 'Research Experience for Undergraduates.

"Normalmente, a los líquidos les gusta hacer gotitas simples, y no mucho más. Con esta teoría, se pueden programar gotas para que se organicen espontáneamente en cadenas, pilas o capas anidadas, como muñecas rusas, "dijo Eric Dufresne, profesor de materiales blandos y vivos en ETH Zürich en Suiza, que no participó en la investigación. "Esto podría ser útil para controlar una secuencia compleja de reacciones químicas, como se encuentra en las células vivas. El próximo desafío será desarrollar métodos experimentales para realizar las interacciones especificadas por la teoría ".

Košmrlj es parte de un grupo de miembros de la facultad de Princeton que explora varias facetas y aplicaciones de la separación de fases líquido-líquido, un enfoque principal de un Grupo de investigación interdisciplinario lanzado recientemente por el Centro de Princeton para materiales complejos con el apoyo de la National Science Foundation.

En ambientes líquidos, hay una tendencia a que las gotas pequeñas se transformen en gotas más grandes con el tiempo, un proceso llamado engrosamiento. Sin embargo, en células vivas y procesos industriales es deseable lograr estructuras de tamaño específico. Košmrlj dijo que el trabajo futuro de su equipo considerará cómo se podría controlar el engrosamiento para lograr mezclas con estructuras específicas a pequeña escala. Otra pregunta abierta es cómo se forman las mezclas multicomponente en los sistemas vivos, donde los procesos biológicos activos y la física básica de los materiales son ambos factores contribuyentes.

Chakraverti-Wuerthwein, quien comenzará un doctorado. programa en ciencias biofísicas en la Universidad de Chicago en 2021, dijo que era gratificante ver "que este núcleo de una idea que se me ocurrió terminó siendo algo valioso que podría expandirse a una herramienta de aplicación más amplia".