Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

En el mundo microscópico de la dinámica de fluidos, donde los líquidos fluyen a través de canales más delgados que un cabello humano, las reglas habituales del movimiento cambian. En estos espacios diminutos, el agua y otros líquidos se mueven tan lentamente que se comportan más como una miel espesa que como ríos caudalosos; la fuerza de la fricción, o viscosidad, domina completamente sobre la fuerza de la inercia que hace que una pelota lanzada siga moviéndose después de dejar tu mano. Bajo estas condiciones, si intentas mezclar dos corrientes diferentes de líquido una al lado de la otra, no se mezclarán girando naturalmente. En su lugar, se deslizarán una junto a la otra como el aceite y el agua, permaneciendo perfectamente separadas durante largas distancias a menos que algo las agite activamente. Los científicos han buscado durante mucho tiempo formas de mezclar estas diminutas corrientes sin utilizar piezas mecánicas que podrían romperse o atascarse, recurriendo en su lugar a la electricidad. Al aplicar un campo eléctrico a un líquido que contiene sales disueltas, los investigadores pueden empujar el fluido, un proceso conocido como electrocinética. Sin embargo, esta técnica suele depender de las propiedades de las paredes del canal o de la superficie del líquido. Un efecto más sutil y poderoso ocurre cuando el líquido en sí no es uniforme, específicamente cuando su capacidad para conducir la electricidad cambia de un lugar a otro.

Investigadores de la Universidad Estatal de Florida exploraron recientemente qué sucede cuando un tapón de líquido con baja conductividad es comprimido entre dos regiones de líquido altamente conductor dentro de un poro curvo diminuto, y luego es sometido a una corriente eléctrica. Construyeron un modelo computacional de un poro microscópico con forma de un estrecho reloj de arena, formado por cuatro superficies sólidas circulares que crean constricciones apretadas en los extremos y un espacio central más ancho y abierto. Dentro de este poro, introdujeron un tapón de fluido de baja conductividad y lo empujaron a través de un flujo constante mientras aplicaban un campo eléctrico de corriente continua a lo largo del canal. El objetivo era ver cómo el desajuste en la conductividad eléctrica interactuaría con el campo eléctrico para perturbar el flujo. Debido a que el líquido en el medio conduce la electricidad pobremente, el campo eléctrico se intensifica naturalmente dentro de esa región para mantener el movimiento de la corriente, de forma muy similar a como el agua se acelera cuando es forzada a pasar por un tubo estrecho. Esta concentración del campo eléctrico, combinada con el límite agudo entre los diferentes líquidos, crea una acumulación pequeña pero significativa de carga eléctrica dentro del cuerpo del fluido. Esta carga siente entonces un empuje del campo eléctrico, generando una fuerza que puede agitar el líquido desde adentro hacia afuera.

Las simulaciones revelaron que este empuje eléctrico es lo suficientemente poderoso como para crear una perturbación dramática y temporal en el flujo, a pesar de que el líquido se mueve tan lentamente que la inercia no juega ningún papel. Cuando el campo eléctrico se estableció con una intensidad de 20,000 voltios por metro, la velocidad del fluido en el centro mismo del poro aumentó a más del doble de la velocidad del flujo entrante. Este aumento de velocidad no fue un estado estacionario, sino un evento fugaz; la velocidad del fluido se disparó rápidamente, alcanzó un máximo y luego se estabilizó a medida que el tapón de líquido atravesaba el poro y los límites agudos entre los diferentes líquidos se suavizaban debido a la difusión natural. Los investigadores observaron que el fluido no solo aceleró en línea recta, sino que también desarrolló un movimiento de rotación complejo que se movía de lado a lado. Este movimiento transversal cambió de dirección varias veces, primero empujando el fluido hacia un lado, luego revirtiendo para empujarlo hacia el otro, antes de finalmente desvanecerse a medida que las diferencias de conductividad desaparecían. Este movimiento de vaivén no fue causado por el impulso del fluido, sino por el cambio de ubicación de las fuerzas eléctricas a medida que los límites de conductividad viajaban y se deformaban dentro de la geometría curva del poro.

El estudio mostró que la fuerza del campo eléctrico actúa como un control maestro para determinar la intensidad de esta perturbación. Cuando los investigadores aumentaron el campo eléctrico de cero a 30,000 voltios por metro, la velocidad máxima del fluido en el centro del poro aumentó de manera constante, subiendo de una velocidad base de aproximadamente 1.4 veces la velocidad del flujo a casi 2.7 veces. Sin embargo, el tiempo de estos eventos se mantuvo notablemente consistente. Independientemente de qué tan fuerte fuera el campo eléctrico, el fluido alcanzaba su velocidad máxima y realizaba sus reversiones de dirección aproximadamente en los mismos momentos de tiempo. Esto indica que, si bien el campo eléctrico determina con qué fuerza es empujado el fluido, la velocidad a la que el líquido se mueve a través del poro y la tasa a la que los diferentes líquidos se mezclan naturalmente dictan el horario de la perturbación. El campo eléctrico amplifica el efecto, pero el transporte del líquido en sí controla el ritmo.

A medida que los diferentes líquidos se mezclaban y los límites agudos entre ellos se volvían difusos, las fuerzas eléctricas que impulsaban el movimiento de rotación se debilitaban y eventualmente desaparecían. Los investigadores rastrearon este proceso midiendo qué tan bien se mezclaban los dos líquidos y monitoreando la corriente eléctrica que fluía fuera del poro. Encontraron que los campos eléctricos más fuertes conducían a una mezcla mucho más rápida y completa, haciendo que los líquidos fueran casi uniformes en los campos más intensos. La corriente eléctrica que salía del poro mostró un patrón distintivo: saltó rápidamente al principio, descendió ligeramente mientras el tapón de baja conductividad pasaba por la parte más estrecha del poro y luego se recuperó lentamente hasta alcanzar un nivel constante. Este descenso y recuperación proporcionó una firma eléctrica clara del viaje del tapón a través de la constricción. Los hallazgos confirman que los gradientes de conductividad pueden generar flujos secundarios transitorios significativos en microporos curvos, creando un mecanismo de mezcla poderoso que depende enteramente de la interacción entre el campo eléctrico y las propias propiedades eléctricas del fluido. Esto sugiere que, mediante el diseño cuidadoso de la forma de los canales microscópicos y el control de las propiedades eléctricas de los fluidos, es posible crear mezcladores altamente eficientes para aplicaciones químicas y biológicas sin ninguna pieza móvil.