¿Se vacían todos los vasos cuando se ponen en posición horizontal?

Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han desarrollado un estudio sobre la 'ciencia del derrame', en el que han analizado matemáticamente cuando el líquido del interior de un tubo se derrama al ponerlo en posición horizontal.

“Esto abre la posibilidad de crear dispositivos de microfluidos muy sensibles, que responden a pequeños cambios físicos, como variaciones de temperatura, de gravedad, de aceleración o, simplemente, de orientación”, explica uno de los autores, Carlos Rascón, del departamento de Matemáticas de la UC3M, que acaba de publicar el trabajo en el último número de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), junto a Andrew O. Parry del Imperial College de Londres y Dirk G.A.L. Aarts de la Universidad de Oxford.

La investigación se concentra en el comportamiento de fluidos en capilares; es decir, en conductos cuya sección es constante, como ocurre con los vasos de tubo, cuya sección es circular.

“Además de secciones circulares, hemos estudiado secciones con otras geometrías: elipses y polígonos regulares (triángulos, cuadrados, pentágonos, etc). Y son, precisamente, estas secciones no circulares las que tienen más aplicaciones tecnológicas”, explica Carlos Rascón, que investiga el tema en el seno del Grupo Interdisciplinar de Sistemas Complejos (GISC) de la UC3M. Por ejemplo, si la sección del capilar es una elipse lo suficientemente aplastada, el líquido puede derramarse, en contra de la creencia generalizada, aunque el capilar sea extremadamente estrecho.

Los resultados podrían tener aplicaciones en nanotecnología. En los tubos circulares pequeños, el líquido siempre se queda dentro (por capilaridad) y es muy difícil vaciarlos sin bombear. Si los tubos tuvieran otra sección, podría controlarse cuándo y cómo se vacían.

“Esto permitiría construir dispositivos muy sensibles en los que el líquido fluyera para valores concretos de ciertos parámetros físicos”, indican los investigadores. De esta manera, cambios muy pequeños podrían desencadenar el vaciado del capilar, lo que podría ser en sí mismo el objetivo del dispositivo, o un mero indicador del cambio en las condiciones físicas. Esto abre la puerta al diseño de nuevos instrumentos de diagnóstico y medida.

Presentación de patentes

Las implicaciones tecnológicas de esta investigación han sido protegidas mediante solicitud de patente, tanto europea como norteamericana, y cuentan con el apoyo del Parque Científico de la UC3M para su comercialización. El control de micro y nanofluidos es un campo multidisciplinar en el que se entrecruzan la biotecnología, la física, la ingeniería, la nanotecnología o la química y que tiene aplicaciones prácticas en el diseño de sistemas que se utilicen para controlar y manipular pequeños volúmenes de fluidos.

En este sentido, la patente es muy general y podría aplicarse tanto a la construcción de dispositivos de medida como, por ejemplo, al desarrollo de impresoras de alta definición. Así mismo, podría tener aplicaciones en la industria alimentaria, aeroespacial o médica.

La investigación surgió a partir de unos experimentos con fluidos coloidales que se realizaron en la Universidad de Oxford. “Dirk nos preguntó a Andy y a mí cuál era la forma esperada del menisco (la curvatura de la superficie de un líquido) cuando un capilar bidimensional está en posición horizontal. Al responder a esa pregunta, nos planteamos cuál sería la forma de un menisco 3D en un capilar. Hemos necesitado de más de 5 años de investigación para responder a esta segunda pregunta”, cuenta Carlos Rascón.

“Obteníamos resultados numéricos que no sabíamos interpretar y pensábamos que eran errores de programación del software informático, pero lo comprobábamos de nuevo y se repetían los resultados. Ha sido un viaje muy tortuoso poner todas las piezas del rompecabezas en su sitio”, concluye el investigador.