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Quais leis regem como os produtos químicos passam pelos filtros? Como as gotas de óleo se movem através das camadas de pedra? Como as células sanguíneas viajam através de um organismo vivo? Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade Técnica de Munique (TUM) e pelo Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização (MPI-DS) descobriu como a geometria do espaço dos poros afeta o transporte de substâncias através dos fluidos.
Concentração requer energia. Enquanto você lê este artigo, os vasos sanguíneos em seu cérebro se expandem e a velocidade da corrente sanguínea diminui para que seus ‘neurônios de leitura’ recebam mais moléculas de glicose e oxigênio da corrente sanguínea. “Tudo isso acontece sem qualquer ação de nossa parte. Por meio da evolução, a natureza desenvolveu a capacidade de adaptar o fluxo sanguíneo exatamente para atender às necessidades de mudança dos organismos”, explica Karen Alim, professora de Teoria das Redes Biológicas da TUM e Grupo de Pesquisa Max Planck. Líder do MPI-DS. “Nosso objetivo é entender a física subjacente a essa rede adaptativa”.
A equipe de pesquisa, que incluiu cientistas da Nottingham Trent University, está agora um grande passo em direção a esse objetivo: pela primeira vez, seu novo modelo descreve como o transporte de substâncias através de meios porosos complexos é controlado pelas estruturas microscópicas dos meios.
Meios porosos – em organismos assim como em materiais produzidos tecnicamente – são caracterizados por um sistema complexo de cavidades que podem ser penetradas por fluidos que transportam certas substâncias: Nos organismos vivos, bilhões de células são supridas por vasos sanguíneos pequenos e até minúsculos; água e óleo podem circular pelos poros do arenito, e biorreatores e filtros contêm materiais catalisadores porosos que aumentam a superfície reativa.
O segredo dos microfluxos
Para investigar o princípio do fluxo físico subjacente a esses movimentos, Alim e sua equipe escolheram uma nova abordagem experimental: como modelo para meios porosos, os pesquisadores escolheram microchips que então equiparam com pequenas obstruções em forma de pilar antes de deixar um fluido colorido fluir. pelas fichas. Eles investigaram três diferentes geometrias de obstrução: na primeira variação, os minúsculos pilares foram posicionados em um padrão básico perfeitamente simétrico, no segundo caso, houve pequenos desvios dessa simetria e no terceiro caso, os pilares foram dispostos em um padrão caótico. Os pesquisadores então mediram quão uniformemente o líquido colorido se dispersou por todo o espaço dos poros.
“O resultado foi uma surpresa completa”, lembra o principal autor Felix Meigel. Os pesquisadores esperavam que o líquido penetrasse no chip com o padrão simétrico de forma mais eficiente. Mas, na verdade, o transporte de cores foi apenas medíocre aqui: a cor sempre se dispersou ao longo da direção do fluxo, mas não se moveu para os espaços porosos vizinhos. No entanto, o melhor desempenho foi o chip com as obstruções ligeiramente irregulares: Aqui o líquido marcado com cor serpenteava para frente e para trás e, assim, rapidamente preencheu todo o espaço dos poros. Os piores resultados vieram do chip com as obstruções dispostas aleatoriamente: Aqui se formaram áreas que o líquido colorido não conseguiu alcançar; a eficiência de transporte do líquido era correspondentemente baixa.
Ramificar é a chave
Os cientistas agora podem usar cálculos para explicar o fenômeno: “A chave para entender o que estava acontecendo era a rede que os poros formam”, diz Alim. “Pesquisas anteriores concentravam-se nos poros individuais, o que tornava impossível examinar o complexo sistema geral. Conseguimos mostrar que o fator decisivo é o entorno imediato dos poros.” Assim, a forma como o líquido se dispersa depende principalmente da ramificação dos espaços porosos, as unidades de junção de poros. Como as junções em um sistema de canos de água, eles controlam a direção e a velocidade do fluxo.
“Os resultados agora podem ajudar no desenvolvimento de materiais nos quais os líquidos podem se dispersar de maneira ideal”, prevê Alim, acrescentando que isso pode ajudar a otimizar o transporte de íons em baterias ou aumentar a eficiência de catalisadores e filtros que dependem de quão bem os reagentes líquidos circulam. em torno de um catalisador ou material absorvedor. E por último, mas não menos importante, diz ela, as novas descobertas ajudarão a tornar possível entender melhor a dinâmica das redes de veias em organismos vivos. Em seu próximo projeto, a física pretende investigar como os neurotransmissores controlam a otimização do transporte de sangue.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Técnica de Munique (TUM). Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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