Un tipo di danno nei materiali e nei tessuti molli chiamato cavitazione è uno dei fenomeni meno studiati in fisica, scienza dei materiali e biologia, dicono osservatori esperti. Ma una forte evidenza che suggerisce che la cavitazione si verifica nel cervello durante un impatto improvviso che porta a lesioni cerebrali traumatiche (TBI) ha recentemente accelerato l'interesse, affermano lo scienziato dei materiali Alfred Crosby dell'Università del Massachusetts Amherst e il suo team.

Crosby è l'autore senior di un nuovo articolo "Perspectives" questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I ricercatori intendono stimolare nuove discussioni e guidare la collaborazione tra nuove comunità di biologi, chimici, scienziati dei materiali, fisici e altri per far progredire la conoscenza. Definiscono obiettivi ad alta priorità e indicano nuove opportunità nel campo di come la materia si deforma e scorre con la cavitazione.

Crosby dice, "Stiamo abbattendo le barriere che separano i diversi campi scientifici per stimolare il progresso nella comprensione della cavitazione, come provoca lesioni difficili da diagnosticare o cedimenti invisibili nei materiali morbidi".

Lui e Ph.D. gli studenti Christopher Barney e Carey Dougan, co-primi autori dell'articolo, ha lavorato con l'ingegnere chimico Shelly Peyton, l'ingegnere meccanico Jae-Hwang Lee e lo scienziato dei polimeri Greg Tew alla UMass Amherst. Altri membri del team "CAVITATE" sono l'ingegnere chimico Rob Riggleman dell'Università della Pennsylvania e l'ingegnere meccanico Shengqiang Cai dell'Università della California, San Diego. Il supporto proviene da una sovvenzione di $ 2,6 milioni dall'Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti.

"Mentre il mondo della cavitazione sembra essere storicamente il regno di ingegneri e fisici, ci sono crescenti opportunità per la chimica sintetica di contribuire al campo, " affermano gli autori. "La comunità della chimica aiuterà in modo significativo sia la comunità dei meccanici che quella della biologia nella comprensione dei principi fisici della cavitazione e nell'usarli a vantaggio nelle reazioni chimiche".

Studiato principalmente nei fluidi per molti anni, la cavitazione è la creazione e il collasso di bolle nei liquidi, Crosby spiega. Quando le bolle collassano forzano il liquido in un'area più piccola, causando un'onda di pressione e un aumento della temperatura, che portano a danni. In una pompa, la cavitazione può erodere le parti metalliche nel tempo, Per esempio. La cavitazione all'interno delle valvole cardiache artificiali può danneggiare non solo le parti ma anche il sangue, lui dice. La microcavitazione nel cervello a seguito di colpi ad alto impatto o la vicinanza a un'esplosione sono fattori di trauma cranico.

Crosby afferma che il documento prospettico del team esplora come la cavitazione può essere utilizzata non solo per prevenire i danni, ma anche come utilizzare la cavitazione come strumento unico per comprendere i tessuti molli. Per esempio, nuovi metodi utilizzano la cavitazione per studiare come le proprietà come la forza evolvono nei tessuti. Il co-primo autore Barney afferma che i ricercatori sperano di stimolare nuove ricerche e sviluppi in medicina, chimica, biologia, meccanica e a nuovi usi.

Crosby ha inventato un nuovo strumento sperimentale chiamato reologia della cavitazione per misurare le proprietà meccaniche locali della materia soffice. Lui dice, "Speriamo che questo porti a progressi nei dispositivi medici per la diagnosi delle malattie, nuovi dispositivi per dispositivi di protezione e nuovi approcci sostenibili per i materiali per la pulizia."

Il co-primo autore Dougan aggiunge, "Mentre si pensa spesso alla cavitazione come a qualcosa da evitare, miriamo a usarlo a beneficio della medicina e dello sviluppo di nuovi trattamenti." Ad esempio, la reologia della cavitazione può essere utilizzata per misurare la forza delle interfacce all'interno del cervello, che è difficile da ottenere con qualsiasi altro metodo, lei nota. In particolare per TBI, gli autori delineano le tecniche per i biologi per stabilire la reologia della cavitazione come strumento per caratterizzare le risposte meccaniche dei tessuti biologici molli.