I nostri corpi sono rivestiti all'interno di morbidi, tappeti microscopici di capelli, dalle estensioni erbose delle nostre papille gustative, a letti sfocati di microvilli nel nostro stomaco, a filamenti proteici superfini in tutti i nostri vasi sanguigni. Queste proiezioni pelose, ancorato a superfici morbide, piegarsi e torcersi con le correnti dei fluidi in cui sono immersi.

Ora gli ingegneri del MIT hanno trovato un modo per prevedere quanto sia piccolo, morbidi letti di capelli si piegheranno in risposta al flusso del fluido. Attraverso esperimenti e modelli matematici, hanno scoperto che, non sorprendentemente, i peli rigidi tendono a rimanere dritti in un flusso fluido, mentre più elastico, i capelli cadenti cedono facilmente alla corrente.

C'è, però, un punto dolce in cui i peli, piegato alla giusta angolazione, con un'elasticità né troppo morbida né rigida, possono influenzare il fluido che scorre attraverso di loro. I ricercatori hanno scoperto che tali peli angolati si raddrizzano quando il fluido scorre contro di loro. In questa configurazione, i peli possono rallentare un flusso fluido, come una grata temporaneamente sollevata.

I risultati, pubblicato questa settimana sulla rivista Fisica della natura , può aiutare a chiarire il ruolo delle superfici pelose nel corpo. Ad esempio, i ricercatori ipotizzano che i peli angolati nei vasi sanguigni e nell'intestino possano piegarsi per proteggere i tessuti circostanti dai flussi di liquidi in eccesso.

I risultati possono anche aiutare gli ingegneri a progettare nuovi dispositivi microfluidici come valvole idrauliche e diodi, piccoli chip che dirigono il flusso del fluido attraverso vari canali, tramite modelli di minuscoli, peli angolati.

"A scale molto piccole, è molto difficile progettare cose con funzionalità che puoi cambiare, " dice Anette (Peko) Hosoi, professore e capo dipartimento associato per le operazioni nel dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Questi peli angolati possono essere utilizzati per creare un diodo fluido che passa da alta resistenza a bassa quando il fluido scorre in una direzione rispetto all'altra".

Hosoi è un coautore del documento, insieme all'autore principale e postdoc del MIT José Alvarado, ex studente laureato Jean Comtet, ed Emmanuel de Langre, professore nel Dipartimento di Meccanica dell'École Polytechnique.

Dalla pelliccia di gatto alle spazzole per capelli

"C'è stato molto lavoro fatto su larga scala, studiando fluidi come il vento che scorre su un campo d'erba o di grano, e come piegare o cambiare la forma di un oggetto influisce sull'impedenza, o flusso di fluido, " Dice Alvarado. "Ma c'è stato molto poco lavoro su piccola scala che può essere applicabile ai capelli biologici".

Per studiare il comportamento di peli molto piccoli in risposta al fluido che scorre, il team ha fabbricato morbidi letti di capelli tagliando al laser piccoli fori in fogli di acrilico, quindi riempito i fori con polimero liquido. Una volta solidificato, i ricercatori hanno rimosso i letti dei capelli polimerici dagli stampi acrilici.

In questo modo, il team ha fabbricato più letti di capelli, ciascuno delle dimensioni di un piccolo post-it. Per ogni letto, i ricercatori hanno alterato la densità, angolo, ed elasticità dei capelli.

"Quelli più densi sono paragonabili alla pelliccia di gatto a pelo corto, e i più bassi sono qualcosa come spazzole per capelli di metallo, "dice Alvarado.

Il team ha quindi studiato il modo in cui i capelli rispondono al fluido che scorre, ponendo ogni letto in un reometro, uno strumento costituito da un cilindro all'interno di un altro. Gli scienziati in genere riempiono lo spazio tra i cilindri con un liquido, quindi ruotare il cilindro interno e misurare la coppia generata quando il liquido trascina il cilindro esterno. Gli scienziati possono quindi utilizzare questa coppia misurata per calcolare la viscosità del liquido.

Per i loro esperimenti, Alvarado e Hosoi allinearono il cilindro interno del reometro con ogni letto di capelli e riempirono lo spazio tra i cilindri con un viscoso, olio simile al miele. Il team ha quindi misurato la coppia generata, così come la velocità di rotazione del cilindro interno. Da queste misurazioni, il team ha calcolato l'impedenza, o resistenza al flusso, creato dai capelli.

"Ciò che sorprende è quello che è successo con i capelli angolati, " Dice Alvarado. "Abbiamo visto una differenza di impedenza a seconda che il fluido scorresse con o contro il grano. Fondamentalmente, i capelli stavano cambiando forma, e cambiando il flusso intorno a loro."

"Fisica interessante"

Per studiarlo ulteriormente, Il gruppo, guidato da Comtet, ha sviluppato un modello matematico per caratterizzare il comportamento dei letti morbidi dei capelli in presenza di un fluido che scorre. I ricercatori hanno elaborato una formula che tiene conto di variabili come la velocità di un fluido e le dimensioni dei capelli, per calcolare la velocità ridimensionata, un parametro che descrive la velocità di un fluido rispetto all'elasticità di un oggetto all'interno di quel fluido.

Hanno scoperto che se la velocità ridimensionata è troppo bassa, i peli sono relativamente resistenti al flusso e si piegano solo leggermente in risposta. Se la velocità ridimensionata è troppo alta, i peli si piegano o si deformano facilmente nel flusso del fluido. Ma proprio nel mezzo, come dice Alvarado, "La fisica interessante comincia ad accadere."

In questo regime, un capello con una certa angolazione o elasticità mostra una "risposta al trascinamento asimmetrico" e si raddrizzerà solo se il fluido scorre contropelo, rallentando il fluido. Un fluido che scorre da quasi tutte le altre direzioni lascerà i capelli angolati e la velocità del fluido imperturbabili.

Questo nuovo modello, Alvarado dice, può aiutare gli ingegneri a progettare dispositivi microfluidici, foderato di peli angolati, che dirigono passivamente il flusso di fluidi attraverso un chip.

Hosoi afferma che i dispositivi microfluidici come i diodi idraulici sono un elemento essenziale per lo sviluppo di sistemi idraulici complessi che possono in definitiva svolgere un lavoro reale.

"Computer e cellulari sono stati resi possibili grazie all'invenzione di strumenti economici, stato solido, elettronica su piccola scala, " dice Hosoi. "Sui sistemi idraulici, non abbiamo visto quel tipo di rivoluzione perché tutti i componenti sono complessi in se stessi. Se puoi fare in piccolo, pompe fluide poco costose, diodi, valvole, e resistori, allora dovresti essere in grado di liberare la stessa complessità che vediamo nei sistemi elettronici, negli impianti idraulici. Ora il diodo idraulico a stato solido è stato scoperto".