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Manufacturing Shock Interactions for Innovative Nanoscale Processes

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Un modelado avanzado revela los secretos de los flujos de fluidos complejos

En medicina, las ondas de choque ofrecen una manera única y no intrusiva de controlar los procesos de fluidos, con aplicaciones que incluyen la destrucción de cálculos renales y la administración de fármacos.

Tecnologías industriales

La dinámica de fluidos, el flujo de líquidos o gases, afecta a diversos aspectos de la vida cotidiana. Los organismos son laboratorios mecánicos de fluidos, la mecánica de fluidos constituye la base de los motores y las turbinas, y los patrones meteorológicos obedecen a sus leyes. La mecánica de fluidos actúa a diversas escalas, desde aerosoles microscópicos, transportando virus, hasta acontecimientos cósmicos como las supernovas. Las ondas de choque constituyen un fenómeno particular de la mecánica de fluidos que se caracteriza por cambios repentinos en la temperatura y la presión. Un ejemplo conocido es la «explosión sónica» de los aviones que vuelan a velocidades supersónicas. Las ondas de choque también se pueden utilizar para controlar procesos de fluidos. El proyecto financiado con fondos europeos NANOSHOCK investigó las interacciones de las ondas de choque con interfaces de múltiples materiales, entre las que destacan por su interés como interfaces las gotitas de líquido, formadas por aire y líquido, especialmente por su desintegración inducida por el choque. «La comprensión de este fenómeno resulta prometedora para una administración microscópica de fármacos a células individuales, en un proceso en el que las células serán perforadas de forma temporal mientras se les administra una dosis terapéutica precisa de un fármaco», explica Nikolaus Adams, investigador principal de la Universidad Técnica de Múnich, la entidad anfitriona del proyecto. Un resultado fundamental de NANOSHOCK fue el desarrollo del entorno de simulación numérica «ALPACA». «Con 20 000 líneas de código, ALPACA es uno de los entornos de simulación más avanzados para modelizaciones de laboratorio a gran escala de flujos de fluidos complejos», explica Stefan Adami, coordinador del proyecto. «Hemos desarrollado métodos numéricos revolucionarios con una precisión y eficiencia sin precedentes gracias al desarrollo de un laboratorio virtual de física de fluidos». ALPACA es de código abierto y está disponible para la comunidad científica. Es modular, por lo que se puede adaptar y ampliar para integrar cualquier modelo de física de fluidos basado en ecuaciones de conservación del continuo. También están disponibles diversas herramientas de postprocesamiento e instrumentos de análisis de datos.

Investigar problemas físicos realistas

Una de las principales preocupaciones del equipo de NANOSHOCK era comprender mejor la interacción entre las ondas de choque y las interfaces de fase. En estas interfaces confluyen la fase líquida y gaseosa de la misma sustancia (por ejemplo, agua líquida y vapor de agua) o fluidos «multimaterial» (por ejemplo, aceite y agua). La actividad de estas interfaces es fundamental para los procesos clínicos, incluidos aquellos de interés para la biomedicina. ALPACA permitió al equipo investigar con un elevado nivel de detalle multitud de dinámicas de ondas de choque y de interfaz en diversos escenarios espaciales y temporales. Dado que estos procesos implican a estructuras a escala micrométrica y a escalas temporales de micro a nanosegundos, los experimentos no son prácticos. «Descubrimos un mecanismo previamente desconocido en el que el choque rompe una cápsula con recubrimiento oleoso y rellena con un fármaco líquido, el cual a su vez está rellenado con una burbuja de aire. La onda de choque hace que el gas interno administre un microchorro del material interno muy centrado y protegido, en una cantidad muy precisa, a través de un sustituto de la membrana celular. Estamos explorando más a fondo este mecanismo, especialmente en lo que respecta a la administración selectiva de fármacos», añade Adams. Este trabajo ha sido posible gracias a los modelos numéricos de alta resolución recientemente desarrollados para la dinámica de gases y líquidos, y lo que se conoce como representaciones del método del conjunto de nivel de las interfaces, usando computación paralela para simulaciones en cientos de miles de unidades de procesamiento de superordenadores.

Aplicaciones más eficientes

El entorno de simulación ALPACA se puede utilizar para investigar fenómenos físicos fundamentales, optimizar parámetros de diseño para diversas aplicaciones y apoyar el descubrimiento de soluciones nuevas. «Nuestros modelos se pueden utilizar como generadores de datos para ayudar a detectar relaciones de fenómenos de flujo y mecanismos físicos ocultos», afirma Adams. El proyecto incluyó colaboraciones con otros grupos de investigación, las cuales siguen en curso. Una de estas colaboraciones implica la contribución con datos numéricos para experimentos sobre fabricación de nanopartículas. En otra colaboración, el equipo participa en el desarrollo de herramientas avanzadas para unas predicciones más precisas de los flujos de los crisoles en la fabricación de aditivos metálicos.

Palabras clave

NANOSHOCK, administración de fármacos, dinámica de fluidos, mecánica de fluidos, fluido, líquidos, gases, ondas de choque, gotitas, células, micrométrico, nanosegundo, simulación

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