Cuanto más descubrimos sobre el mundo natural, más descubrimos que la naturaleza es la mejor ingeniera. Estudios anteriores creían que los fluidos sólo pueden transportarse en una determinada dirección en especies con propiedades especiales de comunicación de fluidos y no pueden 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 hasta ahora desconocida, lo que podría inspirar avances en una variedad de tecnologías en dinámica de fluidos y materiales inspirados en la naturaleza, incluidas aplicaciones que requieren reacciones repetitivas y de varios pasos, como microensayos, diagnósticos médicos y desalinización solar, etc. El estudio fue publicado recientemente en una revista académica internacional. Ciencia.
El transporte de fluidos es un milagro desconocido de la naturaleza. Por ejemplo, los árboles altos tienen que elevar cada día enormes cantidades de agua desde sus raíces hasta sus hojas más altas, lo que hacen en completo silencio. Algunos lagartos y plantas conducen agua a través de capilares. En el desierto, donde es muy importante aprovechar la escasa humedad, algunos escarabajos pueden capturar el agua producida por la niebla y canalizarla a lo largo de su espalda mediante un gradiente químico.
Los científicos llevan mucho tiempo intentando mejorar la capacidad de la humanidad para dirigir fluidos. Aplicaciones tan diversas como microfluidos, recolección de agua y transferencia de calor dependen del transporte direccional eficiente de agua u otros fluidos a pequeña o gran escala. Aunque las especies anteriores están inspiradas en la naturaleza, se limitan a mover líquidos en una dirección. El grupo de investigación dirigido por el prof. WANG Liqiu, Profesor de Energía Inteligente y Sostenible de la Fundación Benéfica Otto Poon, Profesor de Ingeniería Térmica y de Fluidos y Energía del Departamento de Ingeniería Mecánica de PolyU, ha descubierto que la planta suculenta Crassula muscosa, originaria de Namibia. y Sudáfrica, pueden transportar líquidos en direcciones seleccionadas.
Junto con colegas de la Universidad de Hong Kong y la PolyU de la Universidad de Shandong, los investigadores notaron que cuando se inyectaban los mismos fluidos en dos brotes separados de plantas, los fluidos se transportaban en direcciones opuestas. En un caso, el líquido se movía solo hasta la punta, mientras que en el otro brote dirigía el flujo directamente a la raíz de la planta. Dadas las condiciones secas pero con niebla en las que vive C. muscosa, la capacidad de atrapar agua y transportarla en direcciones seleccionadas es el sustento de la planta.
Dado que los brotes se mantuvieron en posición horizontal, se puede descartar que la gravedad sea la causa de la dirección selectiva del transporte. En cambio, las características especiales de la planta provienen de las diminutas hojas que se comprimen en sus brotes. También conocidas como «aletas», tienen un perfil único con un cuerpo inclinado hacia atrás (que se asemeja a la aleta de un tiburón) que se estrecha hasta una punta estrecha que indica la punta de la planta. La asimetría de esta forma es el secreto del transporte direccional selectivo de fluidos en C. muscosa. Todo esto está relacionado con la manipulación del menisco, la superficie curva en la parte superior del líquido.
En particular, la clave son las sutiles diferencias entre las formas de las aletas de los diferentes brotes. A medida que las filas de aletas se curvan bruscamente hacia la punta, el líquido del brote también fluye en esa dirección. Sin embargo, para un brote cuyas aletas, aunque todavía apuntan hacia la punta, están más dirigidas 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, porque controlan las fuerzas que el menisco ejerce sobre las gotas, bloqueando el flujo en una dirección y enviándolo en la otra.
Armado con esta comprensión de cómo una planta dirige el flujo de fluidos, el equipo creó una imitación artificial. Duplicados de CMIA para “C. muscosa-inspired arrays”, estas aletas impresas en 3D actúan como hojas inclinadas de C. muscosa, controlando la orientación del flujo de fluido. Inteligentemente, mientras las aletas de los brotes de plantas naturales están inmóviles, el uso de material magnético en CMIA artificiales permite reorientarlas a voluntad. Simplemente aplicando un campo magnético, se puede cambiar el flujo de fluido a través del CMIA. Esto abre la posibilidad de transporte de fluidos a lo largo de vías que cambian dinámicamente en entornos industriales y de laboratorio. Alternativamente, el flujo se puede desviar cambiando el espacio entre las aletas.
Muchas áreas de la tecnología se benefician de CMIA. El profesor Wang dijo: «El control direccional en tiempo real del flujo de líquido tiene aplicaciones en microfluidos, síntesis química y diagnóstico biomédico. El diseño CMIA que imita la biología se puede utilizar no sólo para transportar líquidos sino también para mezclarlos. Por ejemplo, en un Válvula en T El método es adecuado para diversos productos químicos y supera el problema de calentamiento que se encuentra en algunas otras tecnologías de microfluidos.
