Fluctuaciones de la interfaz en diferentes modelos vivos y no vivos considerados dentro del estudio:a) superposición de una celda unitaria de marco metal-orgánico de imidazolato de zinc observada en dos puntos de tiempo (vista ampliada), b) ondulaciones de la superficie térmica en el grafeno sobre el agua, c) imagen de campo brillante de un Physarum polycephalum (moho de limo) individual para demostrar contracciones vasculares periódicas activas de izquierda a derecha, con tiempo, d) representación esquemática de un modelo teórico para evaluar la difusión de partículas, el transporte se modifica por advección, e) representación esquemática de una geometría bidimensional utilizada en el texto principal para explicar la teoría. Crédito: Física de la naturaleza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
El físico Richard Feynman destacó la importancia de las fluctuaciones en la materia viva cuando afirmó:"Todo lo que hacen los seres vivos puede entenderse en términos de las sacudidas y movimientos de los átomos". Esto es válido para el transporte ampliamente investigado impulsado por fluctuaciones en nanoporos biológicos y para observaciones similares en fases de fluidos no vivos. donde las fluctuaciones hidrodinámicas masivas afectan dramáticamente la dinámica de nanoescala. Las simulaciones numéricas también han resaltado el impacto de los modos de fonón en los nanotubos de carbono que transportan partículas confinadas dentro de ellos. y los estudios a mayor escala han investigado ondas acústicas superficiales de microfluidos que manipulan fluidos a microescala. Si bien estas observaciones muestran el impacto cuantitativo de la agitación de la superficie en las propiedades de transporte que abarcan escalas de longitud considerables, Falta una teoría general que prediga la dependencia de las propiedades de transporte de las fluctuaciones de la superficie. Tal potencial para controlar activa o pasivamente el transporte molecular a través de nanoporos impactará en las aplicaciones de biosensores.
Por ejemplo, en el presente, es sorprendentemente difícil responder si las fluctuaciones de la superficie de los poros aumentan o disminuyen el transporte difusivo. Si bien se espera que las fluctuaciones de la superficie mejoren las propiedades de difusión a través de flujos hidrodinámicos inducidos, las protuberancias geométricas pueden atrapar partículas para desaceleración entrópica. Como resultado, la situación más general del transporte con geometría variable temporalmente permanece abierta. En respuesta, escribiendo en Física de la naturaleza, Marbach y col. Ahora han establecido una relación general entre el transporte difusivo y el espectro dinámico de las fluctuaciones de la superficie. El marco se aplica a los casos en los que las fluctuaciones estructurales del poro de confinamiento son inducidas por ruido térmico, ya las fluctuaciones activas de desequilibrio inducidas por estímulos externos. La teoría se aplicó para comprender varias situaciones relevantes para el transporte de nanoporos y para configuraciones a mayor escala, como las contracciones activas en especies de hongos que influyen en el transporte de nutrientes.
Los hallazgos demostraron una interacción compleja entre el transporte y el meneo de la superficie. La teoría estaba totalmente de acuerdo con las simulaciones de dinámica molecular y con las observaciones existentes de la literatura. Los resultados iluminaron el impacto de la agitación de los poros en una amplia gama de porinas artificiales y biológicas y a mayor escala en el movimiento vascular de los hongos. contracciones intestinales y ondas superficiales microfluídicas, abriendo la posibilidad de sintonizar activamente el transporte a través de las membranas a través de estímulos externos. Tales fenómenos tienen aplicaciones potenciales para el bombeo controlado a nanoescala, ósmosis y ultrafiltración dinámica a través de membranas.
La teoría comenzó analizando la difusión de una partícula confinada entre dos superficies fluctuantes en una geometría bidimensional simple, fácilmente ampliable a tres dimensiones. En primer lugar, la teoría general aplicada a varios escenarios, incluidas las fluctuaciones que se originan por el ruido térmico y las fluctuaciones activas (fuera de equilibrio) impulsadas por estímulos externos. En ecuaciones posteriores, la constante de difusión podría volver a normalizarse para que sea positiva o negativa, ya que agitar el sistema podría acelerar o ralentizar las cosas. Se consideraron escenarios adicionales para situaciones en las que la estructura de poros experimentó fluctuaciones fuera de equilibrio debido a un estímulo externo al agregar una fuerza a una ecuación, conduciendo a un transporte fuera de equilibrio dentro de los poros.
Transporte mejorado o reducido bajo la ondulación de la forma de los poros frente al número adimensional similar al de Péclet para varios modelos de transportadores de fluidos, descrito en el estudio. La difusión efectiva en los poros que fluctúan térmica o activamente se volvió a normalizar mediante el espectro de dinámica térmica o mediante la dinámica activa, como se describe en el estudio. Crédito: Física de la naturaleza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Como resultado del marco teórico, los físicos pudieron cuantificar el impacto de las fluctuaciones de la superficie en el transporte en los sistemas modelo considerados en el estudio. Por lo general, para un número alto similar a Péclet (un indicador adimensional de difusión o advección en un sistema), se espera que el transporte aumente bajo sacudidas estructurales a través de una distribución dominada por advección, como se observó.
Derivación de la ecuación de difusión-advección reducida entre un sustrato plano y una superficie superior fluctuante. El esquema muestra una interfaz fluctuante [z =h (x, y, t)] desde una altura de referencia H. La interfaz constituye una membrana o es una capa libre. Crédito: Física de la naturaleza , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
El transporte de moléculas a través de membranas biológicas es un proceso estrictamente regulado, absolutamente vital para los organismos vivos. Por lo tanto, el paradigma se puede utilizar en un organismo de interés para comprender la dinámica de la dispersión de nutrientes dentro de las redes vasculares que se contraen, ya que las estrategias alternativas para la rápida dispersión de nutrientes son esenciales para la supervivencia. Por ejemplo, en el organismo unicelular P. polycephalum compuesto por una red conectada de venas que contienen citoplasma, los nutrientes se pueden distribuir por todo el cuerpo a través de flujos de lanzadera periódicos no estacionarios impulsados por una onda peristáltica de contracciones que abarcan el organismo.
El estudio destacó que una amplia variedad de situaciones que cubren un rango de escalas se pueden poner en perspectiva bajo el marco teorizado. La teoría permitirá la identificación de componentes clave para diseñar canales activos. Los resultados mostraron la posibilidad de sintonizar activamente la difusión a través de nanoporos. Además, La ósmosis se puede modificar en canales fluctuantes aprovechando la dinámica fuera de equilibrio del poro, para futuras exploraciones. Estas capacidades de ajuste tendrán aplicaciones importantes en estudios moleculares en profundidad en el futuro.
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