Simulació a multiescala de problemes d'interacció fluid-estructura, simulació de sistemes col·loïdals i/o polimèrics

L'ús de simulacions numèriques aplicades a la indústria i la ciència ha recorregut un llarg camí per arribar a abastar camps com la medicina i el disseny de fàrmacs, la ciència de materials, l'enginyeria química, civil o la indústria aeroespacial. 

Les simulacions han permès d'entendre molts de fenòmens, millorar l'eficàcia en molts de processos i abaratir significativament els costos de producció industrial, ja que permet reduir les proves experimentals d’assaig i error.

Per estudiar aquests fenòmens amb més exactitud i precisió cal disposar d'un grup d'experts en el maneig de les tècniques, així com dels sistemes de computació necessaris, que, normalment, es troben fora de l’abast de la majoria d’indústries (petroquímiques, farmacèutiques, d’elaboració de plàstic, etc.). La UIB, a través d’un dels grups de recerca, ofereix l’experiència, les tècniques i les eines computacionals necessàries per tractar alguns dels sistemes més desafiants des del punt de vista de la simulació numèrica actual: 

(1) Simulació de problemes d’interacció fluid-estructura, que inclou grans deformacions, fluids incompressibles i geometries complexes.

(2) La simulació de fluids i mescles de fluids en general i, en particular, la simulació a multiescala de problemes en què un fluid interactua amb una estructura no trivial (p. e., superfície recoberta per una capa filamentosa, superfície tova amb rugositats, fluids que contenen partícules toves deformables, com ara els glòbuls vermells a la sang, etc.).

(3) La simulació de sistemes col·loïdals, coneguts com a sistemes en els quals hi ha un líquid/gas/sòlid (la matriu) que conté elements sòlids/líquids/gasosos. Aquestes unitats poden estar carregades elèctricament o tenir propietats magnètiques. El grup de recerca té una àmplia experiència en la metodologia necessària per a la simulació d’aquests tipus de sistemes.

(4) La simulació de sistemes polimèrics, que abasta des de l’estudi de proteïnes i ADN aïllats fins a l’estudi de conjunts de polímers que formen la matriu d’un material plàstic o una estructura polimèrica complexa, com poden ser els raspalls polimèrics o les multicapes de polielectròlits.

Aplicació pràctica

1. Una de les característiques principals dels microfluids és la capacitat de generar gradients de quimioatraients a les cèl·lules. Els quimioatraients són substàncies que posseeixen efecte inductor de la quimiotaxi (fenomen mitjançant el qual els organismes dirigeixen els seus moviments d'acord amb la concentració de certes substàncies químiques en el seu medi ambient). Per aquest motiu, els microfluids són l'eina ideal per estudiar certes característiques del comportament cel·lular, com ara la motilitat, la quimiotaxi i/o la capacitat per desenvolupar resistència als antibiòtics.

Els models predictius del comportament d’aquests microfluids poden ajudar els investigadors a idear nous i millors generadors de gradients en lloc d’utilitzar solucions analítiques aproximades.

2. L’optofluídica és una integració de l’òptica i la microfluídica per obtenir informació d’ambdós enfocaments. Aquesta fusió s’utilitza principalment en la creació de lents a partir de l’ús de fluids de distints índexs de refracció, la qual cosa permet una reconfiguració dinàmica de la lent. A més a més, el flux de microfluids permet que aquesta tecnologia es pugui integrar fàcilment als microscopis per obtenir resolucions millors.

Amb la creació de models predictius d’aquest enfocament, es pot simular la hidrodinàmica present en la formació de lents microfluídiques.

3. Actualment, es duen a terme nombrosos estudis amb partícules magnètiques relacionades amb el procés de desintoxicació. En aquest procés, s’extreuen extracorporalment les toxines del torrent sanguini de pacients intoxicats. Moltes condicions clíniques causades per diversos patògens microbians es propaguen a través del torrent sanguini i debiliten les defenses del cos. La taxa de mortalitat d’aquestes patologies augmenta significativament cada hora que no se’ls administra el tractament correcte. Per aquest motiu, l’eliminació ràpida d’aquestes toxines té una importància vital. Les partícules magnètiques s’unirien a les toxines per facilitar-ne l’extracció de la sang.

En aquest cas, els models predictius contribuirien a entendre i analitzar el transport d’aquestes partícules unides a les toxines, la qual cosa seria rellevant per a aquesta investigació.

Amb la col·laboració de:

Logotipus del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats