dinámica de fluidos en medios porosos

En un canal anular entre dos anillos dentados cuelgan microesferas: unas de 8 micrómetros de radio, otras de 14. Se enciende la descarga y las partículas se ponen en movimiento. Las pequeñas van hacia un lado, las grandes hacia el otro. Como en un centro comercial donde, para personas de distinta estatura, funcionan escaleras mecánicas que se mueven en direcciones opuestas.

Una gota de agua sobre una película de fluoropolímero al principio se comporta como se espera: reposa y se evapora. Pero cuando se reduce a una cuarta parte de su tamaño inicial, se despega del lugar y en fracciones de segundo recorre una distancia varias veces mayor que su propio radio.

El agua de un tanque gira a casi cuatro vueltas por segundo y, como por arte de magia, surge en ella una columna del tamaño de una mesa de comedor. El vórtice vive durante decenas de vueltas, aunque todo a su alrededor burbujea y tiembla. ¿De dónde sale tanta estabilidad? El secreto es que el vórtice no está aislado.

Una burbuja de hidrógeno en un electrodo de platino se comporta como un nadador que intenta salir a la superficie, pero cada vez que casi se desprende, algo lo agarra por los pies desde abajo.

La tejedora se sienta ante el telar y sus manos se mueven con un ritmo imposible de predecir de antemano. Los hilos se juntan y se separan, formando un patrón que parece aleatorio pero obedece reglas estrictas.

Un grupo de puntos brillantes nada en la oscuridad, a veces condensándose en islotes, a veces dispersándose en ondas. No son peces ni aves: es un modelo matemático de materia activa, donde cada partícula gasta su propia energía para moverse, y además nace, muere y compite con sus vecinas por el espacio.

El universo temprano no se parecía a un estanque tranquilo, sino a un caldero burbujeante. La materia fluía, chocaba y se arremolinaba, todo en medio de la rápida expansión del propio espacio. Para entender cómo de esa sopa caliente nacieron las estrellas y las galaxias, los físicos construyen simulaciones digitales.

El metro corre a toda velocidad por el túnel, y los pasajeros del último vagón ni siquiera se tambalean. Así funciona más o menos el flujo sanguíneo en los pulmones: el corazón impulsa la sangre con potentes sacudidas, pero para cuando llega a las venas, la pulsación casi ha desaparecido.

Un río nocturno salpicado de diminutas chispas. No es plancton: es polen funcional, un sensor de milímetros que flota solo y mide por sí mismo la química del agua. Cada partícula es un pequeño laboratorio. En su interior se encuentran dos reactivos: uno provoca el brillo al contacto con el contaminante, y el segundo, un filtro de color, elimina las interferencias.

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

El cerebro saca sus propios desechos: por canales estrechos alrededor de las arterias fluye el líquido cefalorraquídeo líquido. Las paredes de los canales son suaves y se agitan con el pulso, y el tejido es poroso, como una esponja. Cada latido del pulso convierte las arterias en pequeñas bombas que impulsan el líquido a través de los poros.

El suelo no es una esponja compacta, sino un laberinto de poros de diferentes calibres. Tras la lluvia, el agua no los llena todos a la vez: primero los más estrechos, luego los más anchos. Los físicos han construido una teoría de este proceso basándose en una imagen simple: un conjunto de vasos comunicantes.

Una corriente oceánica de cientos de kilómetros de ancho vive su propia vida, alimentándose de la energía de diminutos remolinos. En la atmósfera ocurre algo parecido: los pequeños torbellinos ceden su fuerza a enormes corrientes de aire. Este proceso, la cascada inversa de energía, se conoce desde hace tiempo.

Los orgánulos sin membrana — diminutas fábricas dentro de la célula — desafían los cánones habituales. Tomemos el nucléolo: aquí se sintetizan los ARN ribosómicos — largas cadenas, tejidas a partir de azúcares carbonados, ricos en grupos fosfato con oxígeno y cosidos por enlaces de hidrógeno, suspendidos en el entorno…

En el nuevo modelo, cada partícula activa tiene un ritmo interno: gira hacia la izquierda o hacia la derecha. La quiralidad es la propiedad clave: unas giran en sentido horario, otras en sentido antihorario. Pero cuando una partícula choca con un obstáculo o con una vecina, conmuta su rotación, como un patinador que, tras tocar el borde, estalla en una pirueta inversa.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

Millones de cilios —finos pelillos— trabajan dentro de los diminutos conductos de nuestro cuerpo. Laten de forma coordinada, como los remos de una galera, y empujan moco o líquido viscoso. Los autores del nuevo estudio propusieron ver el tapiz ciliar como un medio poroso activo: algo así como una esponja que se comprime y se expande por sí misma, impulsando el agua.

Una gota de champú espeso cae al agua y se congela en una hebra caprichosa. Un fluido que a la vez fluye y se estira como un resorte se llama viscoelástico. En él, las partículas diminutas bajo la acción de los ultrasonidos se comportan de manera muy distinta que en el agua.

Al exprimir el kétchup de la botella, luchas contra su terquedad: primero se queda quieto, luego sale disparado de golpe. Es un carácter no newtoniano típico: la resistencia al flujo cambia según la fuerza con la que aprietas. Pero los autores del nuevo estudio han encontrado la manera de eliminar casi por completo esa resistencia.

En un cristal de agua e hidróxido de cesio, los átomos de oxígeno y cesio permanecen en sus lugares, como cuentas en una red rígida. Los átomos de hidrógeno se comportan de manera diferente: son como pasajeros que cambian constantemente de asiento.

Un implante poroso cargado con fármaco funciona como una esponja que va cediendo lentamente la sustancia al líquido que lo rodea. Pero si el líquido fluye rápido, arrastra el fármaco de manera distinta que en un entorno tranquilo. Los autores calcularon por ordenador cómo las distintas velocidades de flujo y las propiedades de la estructura porosa afectan a la liberación del fármaco.

Un barco que se desliza sobre el agua roza constantemente contra ella, como la palma de la mano contra una superficie rugosa. Esa fricción consume combustible y frena la marcha. Una forma de reducirla es inyectar aire bajo el casco: el agua deja de adherirse al casco y la resistencia disminuye. Pero el aire se comporta de manera caprichosa: a veces ayuda y a veces estorba.

Una gota de agua sobre una mesa normalmente permanece inmóvil. Pero si la mesa es un poco más blanda en un borde y más rígida en el otro, la gota se desliza hacia la zona rígida. Este fenómeno se llama durotaxis: el líquido elige por sí mismo hacia dónde fluir, sin bombas ni electricidad. Este truco es posible porque la superficie bajo la gota no es uniforme.

Una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal acuoso más estrecho que ella misma. En agua limpia avanza con calma, como una esferita redonda. Pero añade un poco de jabón al agua y la gota empieza a curvarse, como una oruga.

Una ciudad donde las calles no son rectas, sino sinuosas, con callejones sin salida y pasadizos ocultos. Un mensajero en bicicleta tardará mucho más en entregar un paquete que en una ciudad con una cuadrícula regular de calles. Así ocurre con las moléculas dentro del tejido vivo: su recorrido depende de lo 'enmarañada' que esté la estructura del tejido.

El flujo turbulento cerca de la pared se parece a una multitud donde cada uno empuja hacia su lado. Los vórtices nacen y se deshacen, creando empujones caóticos. Si se incrusta en la pared un sustrato acústico con un defecto —como un diapasón que suena en una sola nota—, empieza a responder solo a un rango estrecho de frecuencias.

Una gota de lluvia cae en un charco y, con el impacto, salta un surtidor de pequeñas salpicaduras. Cada una de ellas es una nueva gota secundaria. Cuántas son, de qué tamaño y cuánto tiempo viven depende de muchas cosas: la velocidad de caída, el tamaño de la gota, las propiedades del agua. Los científicos decidieron entender este caos mediante simulaciones por computadora.

En los materiales porosos —suelo, rocas, filtros— los líquidos se mueven a través de diminutos canales sinuosos. Cuando en ese medio coexisten dos líquidos inmiscibles, como agua y aire, la frontera entre ellos cambia constantemente: las burbujas de aire desplazan el agua de algunos poros y abren camino en otros.

En una rendija estrecha entre dos láminas, el agua del aire húmedo se acumula por sí sola: es la condensación capilar. Si la rendija tiene solo unos pocos nanómetros de ancho, el agua ya no se comporta como un líquido continuo: cada molécula cuenta.

Dentro de los riñones, el hígado y otros órganos, el líquido fluye por canales que se comprimen y se expanden, como una manguera pisada por un pie. Las paredes de estos canales no son rígidas: son porosas, elásticas y están empapadas de humedad.

Una molécula de agua, al encontrarse cerca de un anillo de carbono, comienza a vibrar — y de inmediato queda bajo la dirección de un director de orquesta invisible. La nube electrónica del anillo, como un maestro, atenúa algunas vibraciones y amplifica otras.

Los vasos linfáticos son calles de una sola dirección. Por ellos, el líquido fluye solo hacia adelante gracias a diminutas compuertas en forma de pétalos. Estas válvulas se abren únicamente en un sentido, generando una asimetría, una direccionalidad, sin la cual el flujo se detendría.

Una célula viva se parece a una ciudad bulliciosa: por sus calles circulan cargas sin cesar, y las corrientes de tráfico se regulan para que todo lo necesario llegue a su destino a tiempo.

El agua de un río rodea las piedras, el aire se desvía alrededor del ala de un avión: estos movimientos se describen con ecuaciones que son difíciles de resolver incluso con una computadora potente. Las redes neuronales pueden aproximar estas soluciones, pero a menudo se equivocan cuando los datos se recogen solo en unos pocos puntos o están contaminados por ruido.

Una hoja plana con cortes en un flujo de agua o aire se comporta como persianas autoajustables. La presión abre las rendijas y cada tira de material se inclina, convirtiéndose en un ala en miniatura. Así, incluso una hoja colocada perpendicular al flujo genera no solo resistencia frontal, sino también una fuerza de sustentación lateral significativa.

Una varilla clavada en un material granular —por ejemplo, arena o una capa de bolitas— no se comporta como uno esperaría. En lugar de hundirse verticalmente, se desvía de la vertical rápidamente y termina por quedar horizontal.

Una gota de aceite en agua, cubierta de moléculas de jabón, no se comporta como una gota desnuda. Las moléculas de jabón son como pequeñas varillas: un extremo ama el agua, el otro ama el aceite. En un líquido en reposo, se colocan en la superficie como una empalizada y reducen la tensión superficial, esa fuerza que contrae la gota hasta convertirla en una esfera.

La Escherichia coli es una nadadora diminuta en un mundo donde el agua es espesa como gelatina. Dentro de nuestro intestino no se desliza libremente, sino que se abre paso a través de la mucosidad, una red enredada de moléculas largas parecida a una madeja de hilos enmarañados.

Cuando en una gota de agua se reúnen muchas bacterias (compuestas principalmente de carbono), comienza una danza sincrónica: millones de diminutos seres se deslizan en elipses gigantes, como bailarines en una pista. Así, sin un líder, de movimientos simples surge un patrón complejo.

La frontera entre dos líquidos es como una piel invisible: existe, pero no se puede tocar con el dedo. Los científicos han encontrado la manera de medir su elasticidad sin tocarla. Hicieron que una sonda diminuta oscilara sobre la superficie, y entre la sonda y la frontera quedó una fina película de líquido.