Fluidos inteligentes: La naturaleza inspira una nueva era en la dinámica de fluidos

Cuanto más descubrimos sobre el mundo natural, más encontramos que la naturaleza es el mayor ingeniero. La investigación pasada creía que los líquidos solo podían transportarse en una dirección fija en especies con propiedades específicas de comunicación líquida y no podían cambiar la dirección del transporte. Recientemente, investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) han demostrado que una planta africana controla el movimiento del agua de una manera previamente desconocida, y esto podría inspirar avances en una gama de tecnologías en dinámica de fluidos y materiales inspirados en la naturaleza, incluidas aplicaciones que requieren reacciones multietapa y repetidas, como microensayos, diagnóstico médico y desalación solar, etc. El estudio se ha publicado recientemente en la revista académica internacional Science.

El transporte de líquidos es un milagro silencioso de la naturaleza. Los árboles altos, por ejemplo, tienen que levantar enormes cantidades de agua todos los días desde sus raíces hasta sus hojas más altas, lo que logran en perfecto silencio. Algunos lagartos y plantas canalizan el agua a través de capilares. En el desierto, donde aprovechar al máximo la escasa humedad es vital, algunos escarabajos pueden capturar agua transportada por la niebla y dirigirla a lo largo de sus espaldas utilizando un gradiente químico.

Los científicos han tratado durante mucho tiempo de perfeccionar la capacidad de la humanidad para mover líquidos de forma direccional. Aplicaciones tan diversas como la microfluídica, la recolección de agua y la transferencia de calor dependen del transporte direccional eficiente de agua u otros fluidos, a pequeña o gran escala. Si bien las especies anteriores brindan inspiración basada en la naturaleza, están limitadas a mover líquidos en una sola dirección. Un equipo de investigación dirigido por el profesor WANG Liqiu, profesor de la Fundación Otto Poon para la Energía Inteligente y Sostenible, profesor titular de Ingeniería Térmica-Fluida y Energética, Departamento de Ingeniería Mecánica de PolyU, ha descubierto que la planta suculenta Crassula muscosa, originaria de Namibia y Sudáfrica, puede transportar líquido en direcciones seleccionadas.

Junto con colegas de la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Shandong, los investigadores de PolyU notaron que cuando se infundían dos brotes separados de la planta con los mismos líquidos, los líquidos se transportaban en direcciones opuestas. En un caso, el líquido viajaba exclusivamente hacia la punta, mientras que el otro brote dirigía el flujo directamente a la raíz de la planta. Dadas las condiciones áridas pero brumosas en las que vive C. muscosa, la capacidad de atrapar agua y transportarla en direcciones seleccionadas es un salvavidas para la planta.

Dado que los brotes se mantuvieron horizontalmente, la gravedad puede descartarse como la causa de la dirección selectiva del transporte. En cambio, las propiedades especiales de la planta provienen de las pequeñas hojas empacadas en sus brotes. También conocidas como “aletas”, tienen un perfil único, con un cuerpo barrido hacia atrás (que se asemeja a la aleta de un tiburón) que se estrecha hasta un extremo estrecho que apunta hacia la punta de la planta. La asimetría de esta forma es el secreto del transporte selectivo de líquidos direccionales de C. muscosa. Todo tiene que ver con manipular el menisco: la superficie curva sobre la parte superior de un líquido.

Específicamente, la clave radica en las sutiles diferencias entre las formas de las aletas en diferentes brotes. Cuando las filas de aletas se doblan bruscamente hacia la punta, el líquido en el brote también fluye en esa dirección. Sin embargo, en un brote cuyas aletas, aunque todavía apuntan hacia la punta, tienen un perfil más ascendente, la dirección del movimiento es en cambio hacia la raíz. La dirección del flujo depende de los ángulos entre el cuerpo del brote y los dos lados de la aleta, ya que estos controlan las fuerzas ejercidas sobre las gotas por el menisco: bloqueando el flujo en una dirección y enviándolo en la otra.

Armados con esta comprensión de cómo la planta dirige el flujo de líquido, el equipo creó una imitación artificial. Llamadas CMIAs, por ‘matrices inspiradas en C. muscosa’, estas aletas impresas en 3D actúan como las hojas inclinadas de C. muscosa, controlando la orientación del flujo de líquido. Inteligentemente, mientras que las aletas en un brote de planta natural son inmóviles, el uso de un material magnético para las CMIAs artificiales les permite reorientarse a voluntad. Simplemente aplicando un campo magnético, el flujo de líquido a través de una CMIA se puede invertir. Esto abre la posibilidad de transportar líquidos a lo largo de caminos que cambian dinámicamente en entornos industriales y de laboratorio. Alternativamente, el flujo podría redirigirse cambiando el espacio entre las aletas.

Numerosas áreas de la tecnología se beneficiarán de las CMIAs. El profesor Wang dijo: “Hay aplicaciones previsibles de control direccional en tiempo real del flujo de fluido en microfluídica, síntesis química y diagnósticos biomédicos. El diseño de CMIA que imita la biología también podría usarse no solo para transportar líquidos, sino también para mezclarlos, por ejemplo, en una válvula en forma de T. El método es adecuado para una gama de productos químicos y supera el problema de calentamiento que se encuentra en algunas otras tecnologías microfluídicas”.