Control of active flows through soft interfaces

• Autores: Paul Guillamat Bassedas
• Directores de la Tesis: Francesc Sagués Mestre (dir. tes.), Jordi Ignés Mullol (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jean-Francois Joanny (presid.), Jordi Ortin Rull (secret.), Jan Brugues Ferre (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
• Materias:
  • Física
    • Física de fluidos
      • Dispersiones
      • Flujos de fluidos
    • Química física
      • Emulsiones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  Dipòsit Digital de la UB 
• Resumen

  • Grupos de animales, colonias bacterianas, tejidos celulares y conjuntos de extractos citoplasmáticos son ejemplos de sistemas experimentales estudiados en el campo de la materia activa. Todos ellos están compuestos de unidades autónomas automotrices que consumen y transforman energía para generar trabajo mecánico. La interacción entre estas unidades móviles conduce a la aparición de patrones espaciotemporales cooperativos, que no se observan en fluidos complejos en equilibrio. A pesar de que la morfología y la dinámica de estos sistemas se están estudiando en detalle, todavía falta indagar en las posibilidades de controlar estos sistemas de forma efectiva, lo cual podría suponer la posibilidad de sacar provecho de flujos activos para su aplicación en dispositivos. Para ello, esta tesis pretende desarrollar estrategias para condicionar el movimiento caótico e impredecible intrínseco materia activa por medio de métodos no invasivos, a saber, patrones reológicos y confinamiento.

    El sistema experimental utilizado en esta tesis es un gel activo basado en una mezcla de proteínas del citoesqueleto, creada en el laboratorio de Z.

    Dogic de la Universidad de Brandeis (MA, EE.UU.) en 2012. Brevemente podemos describir este sistema como un ensamblaje de agregados de microtúbulos, reticulados con complejos de motores moleculares. En la presencia de Adenosina trifosfato (ATP), los reticulantes activos ejercen fuerzas locales que generan patrones de flujo lejos del equilibrio termodinámico. El gel activo también puede auto-organizarse en interfaces blandas, donde forma una fina capa densa de material, formando un cristal líquido nemático activo. Éste sistema se caracteriza por desarrollar flujos con características morfológicas que recuerdan a los flujos turbulentos. En esta tesis, presentamos evidencia experimental de la existencia de un fuerte acoplamiento hidrodinámico en las interfaces aceite-agua donde reside el material activo, así como la influencia de las propiedades reológicas de la fase oleosa.

    Alterando la viscosidad del fluido oleoso en contacto con el gel activo, alteramos la morfología y dinámica del material nemático activo, que hemos caracterizado en detalle. Además, en colaboración con el grupo de M. C.

    Marchetti de la Universidad de Siracusa (NY, EE.UU.), hemos adaptado datos específicos a un modelo hidrodinámico con el fin de extraer un valor estimado de la viscosidad del material activo. En segundo lugar, a partir de estas observaciones, y con el objetivo de dirigir los flujos activos, se han usado patrones de viscosidad en la interfaz agua-aceite. Con este propósito, se utiliza un cristal líquido termotrópico de fase lamelar, las moléculas de cual organizan estructuras con una marcada anisotropía en la viscosidad, modulable externamente e in situ, mediante temperatura y/o campos externos. Bajo tales restricciones reológicas, los flujos del material activos se ordenan, organizando rápidamente remolinos localizados o franjas paralelas de haces alineados de microtúbulos. Finalmente, encapsulamos el gel activo en gotas, las cuales dispersamos en diferentes fluidos para crear cápsulas de nemático activo, que se desarrollan bajo restricciones geométricas y topológicas. Debido al confinamiento, el nemático activo genera dinámicas regulares y periódicas que transmiten flujos coherentes a la fase continua. Aquí, mediante la adición de gotas activas en un cristal líquido nemático, se estudia la interacción entre los flujos activos y los defectos topológicos (generalmente estáticos) inducidos alrededor de las inclusiones. Este trabajo se ha realizado en colaboración con el grupo de M.

    Ravnik de la Universidad de Liubliana (Eslovenia).

    En conclusión, este trabajo no sólo aumenta nuestro conocimiento fundamental de los sistemas activos sino que sirve como plataforma de partida para explorar la interacción entre estos materiales y sus análogos pasivos (cristales líquidos termotrópicos). En particular, la implementación de patrones anisotrópicos en las interfaces mediante la utilización de cristales líquidos pasivos ha demostrado ser clave para controlar los flujos activos.