Cuanto más exploramos el mundo natural, más nos damos cuenta de que la naturaleza es la mejor ingeniera. Investigaciones anteriores creían que los fluidos sólo podían transportarse en direcciones específicas con propiedades de comunicación de fluidos específicas y que la dirección del transporte no podía cambiarse. 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 que difiere en la dinámica de fluidos y los materiales inspirados en la naturaleza pueden afectar los avances en tecnologías, incluidos. aplicaciones que requieren Reacciones repetitivas y de varios pasos, como microensayos, diagnóstico clínico y purificación solar, etc. El estudio fue publicado recientemente en la Revista Internacional de Educación. ciencia.
El transporte de líquidos es un increíble milagro de la naturaleza. Los árboles altos, por ejemplo, tienen que transportar diariamente mucha agua desde sus raíces hasta sus hojas superiores, lo cual lo hacen en completo silencio. Algunos lagartos y plantas drenan el agua a través de capilares. En los desiertos, donde la utilización óptima de la humedad es fundamental, algunos escarabajos pueden capturar el agua producida por la niebla y transportarla con sus espaldas mediante gradientes químicos.
Los científicos llevan mucho tiempo intentando mejorar la capacidad de los seres humanos para mover líquidos en una dirección. Aplicaciones tan diversas como microfluidos, recolección de agua y transferencia de calor dependen del transporte direccional eficiente de volúmenes grandes o pequeños de agua u otros fluidos. Aunque las especies anteriores brindan inspiración basada en la naturaleza, se limitan a mover fluidos en una dirección. Un equipo de investigación dirigido por el Prof. WANG Liqiu, profesor de Energía Inteligente y Sostenible de la Otto Poon Charitable Foundation, profesor titular de Ingeniería de Fluidos Térmicos y Energía en el Departamento de Ingeniería Mecánica de PolyU, ha descubierto que la planta suculenta Crassula muscosa, del área nativa de Namibia. y Sudáfrica, pueden mover el líquido en direcciones seleccionadas.
Junto con colegas de la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Shandong, los investigadores de PolyU observaron que cuando dos brotes de plantas separados se mezclaban con los mismos líquidos, los líquidos se movían en direcciones opuestas. En un caso, el líquido viajaba exclusivamente hacia la punta, mientras que en el otro brote canalizaba el flujo directamente hacia la raíz de la planta. Dadas las condiciones secas pero brumosas en las que vive C. muscosa, la capacidad de atrapar agua y moverla en direcciones selectivas es un salvavidas para la planta.
Dado que los brotes se colocaron en posición horizontal, se puede descartar que la gravedad sea la causa de la dirección selectiva del transporte. En cambio, las propiedades especiales de la planta provienen de las diminutas hojas de sus tallos. También conocidas como “aletas”, tienen un perfil único, con un cuerpo aplanado (que se asemeja a la aleta de un tiburón) que se estrecha hacia una punta estrecha que apunta hacia la punta de la planta. Esta asimetría morfológica es el secreto del transporte direccional selectivo de fluidos de C. muscosa. Todo tiene que ver con la manipulación del menisco (la superficie curva sobre un líquido).
En particular, la clave reside en las sutiles diferencias entre las formas de las alas en diferentes brotes. Cuando las filas de aletas se doblan bruscamente hacia la punta, el líquido del brote también fluye en la misma dirección. Sin embargo, en una sesión cuyos abanicos, aunque todavía apuntan hacia la punta, tienen un perfil más hacia arriba, la dirección del movimiento es 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 por los meniscos sobre las gotas, deteniendo el flujo en una dirección y dirigiéndolo en la otra.
Armado con una comprensión de cómo la planta dirige el flujo de fluidos, el equipo creó una réplica sintética. Apodado CMIA para ‘C. “Arrays inspirados en muscosa”, estas aletas impresas en 3D actúan como las hojas dobladas de C. muscosa, controlando la dirección del flujo del líquido. De manera ingeniosa, mientras los ventiladores de los brotes de plantas naturales permanecen inmóviles, el uso de materiales magnéticos para los CMI sintéticos les permite reorientarse a voluntad. Simplemente aplicando un campo magnético, se puede alterar el flujo de líquido a través del CMIA. Esto abre posibilidades para el transporte de líquidos a lo largo de rutas que cambian dinámicamente en entornos industriales y de laboratorio. Alternativamente, el flujo se puede redirigir cambiando la distancia entre las aletas.
Varios sectores tecnológicos se beneficiarán de las CMIA. “El control direccional predictivo en tiempo real del flujo de fluidos tiene aplicaciones en microfluidos, síntesis química y diagnóstico biomédico. El diseño biomimético CMIA no solo permite el transporte de fluidos sino que también se puede utilizar para mezclar. Este método es adecuado para una variedad de productos químicos en una válvula T, por ejemplo, y supera el problema de calentamiento que se encuentra en algunas otras tecnologías de microfluidos”.
