Nossos corpos são revestidos por dentro com materiais macios, tapetes microscópicos de cabelo, das extensões de grama em nossas papilas gustativas, a leitos difusos de microvilosidades em nossos estômagos, aos filamentos de proteínas superfinos em todos os nossos vasos sanguíneos. Essas projeções cabeludas, ancorado em superfícies macias, dobrar e torcer com as correntes dos fluidos em que estão imersos.

Agora, os engenheiros do MIT descobriram uma maneira de prever como essa pequena, camadas macias de cabelo se dobram em resposta ao fluxo de fluido. Por meio de experimentos e modelagem matemática, eles descobriram isso, não surpreendentemente, cabelos duros tendem a ficar em pé em um fluxo de fluido, enquanto mais elástico, cabelos caídos cedem facilmente a uma corrente.

Há, Contudo, um ponto ideal em que os cabelos, dobrado no ângulo certo, com uma elasticidade nem muito mole nem rígida, pode afetar o fluido que flui através deles. Os pesquisadores descobriram que esses fios de cabelo em ângulo se endireitam quando o fluido está fluindo contra eles. Nesta configuração, os cabelos podem retardar o fluxo de fluido, como uma grade temporariamente levantada.

Os resultados, publicado esta semana no jornal Física da Natureza , pode ajudar a esclarecer o papel das superfícies peludas no corpo. Por exemplo, os pesquisadores postulam que os pelos angulados nos vasos sanguíneos e nos intestinos podem dobrar para proteger os tecidos circundantes do fluxo excessivo de fluidos.

As descobertas também podem ajudar os engenheiros a projetar novos dispositivos microfluídicos, como válvulas hidráulicas e diodos - pequenos chips que direcionam o fluxo de fluido através de vários canais, por meio de padrões minúsculos, cabelos angulados.

"Em escalas muito pequenas, é muito difícil projetar coisas com funcionalidades que você pode mudar, "diz Anette (Peko) Hosoi, professor e chefe de departamento associado para operações no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Esses fios de cabelo em ângulo podem ser usados ​​para fazer um diodo de fluido que muda de alta resistência para baixa quando o fluido flui em uma direção contra outra."

Hosoi é co-autor do artigo, juntamente com o autor principal e pós-doutorado do MIT José Alvarado, ex-aluno de pós-graduação Jean Comtet, e Emmanuel de Langre, professor do Departamento de Mecânica da École Polytechnique.

De pele de gato a escovas de cabelo

"Muito trabalho foi feito em grande escala, estudando fluidos como o vento passando por um campo de grama ou trigo, e como dobrar ou mudar a forma de um objeto afeta a impedância, ou fluxo de fluido, "Alvarado diz." Mas tem havido muito pouco trabalho em pequenas escalas que podem ser aplicáveis ​​a cabelos biológicos. "

Para investigar o comportamento de cabelos muito pequenos em resposta ao fluxo de fluido, a equipe fabricou camas macias de cabelo cortando minúsculos orifícios em folhas de acrílico, em seguida, preencheu os orifícios com polímero líquido. Uma vez solidificado, os pesquisadores removeram as camadas de cabelo de polímero dos moldes de acrílico.

Desta maneira, a equipe fabricou várias camas de cabelo, cada um tem o tamanho de um pequeno post-it. Para cada cama, os pesquisadores alteraram a densidade, ângulo, e elasticidade dos cabelos.

"Os mais densos são comparáveis ​​à pele de gato de pêlo curto, e as mais baixas são algo como escovas de cabelo de metal, "Alvarado diz.

A equipe então estudou a forma como os fios de cabelo respondem ao fluxo do fluido, colocando cada cama em um reômetro - um instrumento que consiste em um cilindro dentro do outro. Os cientistas normalmente preenchem o espaço entre os cilindros com um líquido, em seguida, gire o cilindro interno e meça o torque gerado quando o líquido arrasta o cilindro externo. Os cientistas podem então usar esse torque medido para calcular a viscosidade do líquido.

Para seus experimentos, Alvarado e Hosoi alinharam o cilindro interno do reômetro com cada leito de cabelo e preencheram o espaço entre os cilindros com uma camada viscosa, óleo parecido com mel. A equipe então mediu o torque gerado, bem como a rapidez com que o cilindro interno estava girando. A partir dessas medições, a equipe calculou a impedância, ou resistência ao fluxo, criado pelos cabelos.

"O que é surpreendente é o que aconteceu com os cabelos angulados, "Alvarado diz." Vimos uma diferença na impedância dependendo se o fluido estava fluindo com ou contra o grão. Basicamente, os cabelos estavam mudando de forma, e mudando o fluxo em torno deles. "

"Física interessante"

Para estudar isso mais a fundo, O time, liderado por Comtet, desenvolveu um modelo matemático para caracterizar o comportamento de leitos de cabelos macios na presença de um fluido escoante. Os pesquisadores elaboraram uma fórmula que leva em consideração variáveis ​​como a velocidade de um fluido e as dimensões do cabelo, para calcular a velocidade redimensionada - um parâmetro que descreve a velocidade de um fluido versus a elasticidade de um objeto dentro desse fluido.

Eles descobriram que, se a velocidade redimensionada for muito baixa, os cabelos são relativamente resistentes ao fluxo e dobram-se apenas ligeiramente em resposta. Se a velocidade redimensionada for muito alta, os cabelos são facilmente dobrados ou deformados no fluxo do fluido. Mas bem no meio, como diz Alvarado, "física interessante começa a acontecer."

Neste regime, um cabelo com um certo ângulo ou elasticidade exibe uma "resposta de arrasto assimétrica" ​​e só se endireitará se o fluido estiver fluindo contra a fibra, retardando o fluido. Um fluido fluindo de quase qualquer outra direção deixará os fios angulares - e a velocidade do fluido - imperturbáveis.

Este novo modelo, Alvarado diz, pode ajudar os engenheiros a projetar dispositivos microfluídicos, forrado com fios de cabelo em ângulo, que direcionam passivamente o fluxo de fluidos através de um chip.

Hosoi diz que dispositivos microfluídicos, como diodos hidráulicos, são uma peça essencial para o desenvolvimento de sistemas hidráulicos complexos que podem, em última análise, fazer um trabalho real.

"Computadores e telefones celulares tornaram-se possíveis devido à invenção de aparelhos baratos, Estado sólido, eletrônica de pequena escala, "Hosoi diz." Em sistemas hidráulicos, não vimos esse tipo de revolução porque todos os componentes são complexos em si mesmos. Se você pode fazer pequeno, bombas de fluido baratas, diodos, válvulas, e resistores, então você deve ser capaz de liberar a mesma complexidade que vemos em sistemas eletrônicos, em sistemas hidráulicos. Agora o diodo hidráulico de estado sólido foi descoberto. "