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Manufacturing Shock Interactions for Innovative Nanoscale Processes

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La modellizzazione avanzata rivela i segreti dei flussi di fluidi complessi

In medicina, le onde d’urto offrono un mezzo unico e non intrusivo per controllare i processi fluidi, con applicazioni che includono la distruzione dei calcoli renali e la somministrazione di farmaci.

Tecnologie industriali

Il flusso di liquidi o gas, noto come dinamica dei fluidi, influenza molti aspetti della vita quotidiana. Il corpo è un laboratorio di meccanica dei fluidi, il ramo della meccanica che aziona motori e turbine, e i modelli meteorologici obbediscono alle sue leggi. La meccanica dei fluidi agisce su più scale, dagli aerosol microscopici, che trasportano virus, agli eventi cosmologici come le supernove. Le onde d’urto sono un particolare fenomeno della meccanica dei fluidi, caratterizzato da improvvisi cambiamenti di temperatura e pressione. Un esempio ben noto è il «boom sonico» degli aerei che volano a velocità supersoniche. Le onde d’urto possono anche essere utilizzate per controllare i processi dei fluidi. Il progetto NANOSHOCK, sostenuto dall’UE, ha studiato le interazioni delle onde d’urto con le interfacce multi-materiale; le goccioline liquide, composte da aria e liquido, sono interfacce di particolare interesse, soprattutto per quanto riguarda la loro disintegrazione indotta dagli urti. «Comprendere questo fenomeno è promettente per una nuova somministrazione microscopica di farmaci in singole cellule, con cellule temporaneamente perforate mentre una precisa dose terapeutica di un composto viene rilasciata in esse», spiega il ricercatore principale Nikolaus Adams del Politecnico di Monaco di Baviera, l’organizzazione che ha ospitato il progetto. Un risultato chiave di NANOSHOCK è stato lo sviluppo dell’ambiente di simulazione numerica «ALPACA». Secondo il coordinatore del progetto Stefan Adami, «con 20 000 linee di codice, ALPACA è uno degli ambienti più avanzati per simulazioni di laboratorio su larga scala di flussi fluidi complessi». «Abbiamo sviluppato metodi numerici innovativi con una precisione ed efficienza senza precedenti, sviluppando un laboratorio virtuale di fisica dei flussi.» ALPACA è open source e a disposizione della comunità scientifica. È modulare, quindi può essere adattato ed esteso per integrare qualsiasi modello di fisica dei flussi basato sulle equazioni di conservazione del continuum. È inoltre disponibile una gamma di strumenti di post-elaborazione e di analisi dei dati.

Indagare problemi fisici realistici

Una delle preoccupazioni principali di NANOSHOCK era quella di comprendere meglio l’interazione tra le onde d’urto e le interfacce di fase. In tali interfacce si incontrano la fase liquida e la fase gassosa della stessa sostanza (ad esempio, acqua liquida e vapore acqueo) o fluidi «multi-materiale» (ad esempio, olio e acqua). L’attività di queste interfacce è fondamentale per i processi chimici, compresi quelli di interesse per la biomedicina. Grazie ad ALPACA, il team ha potuto studiare molte diverse dinamiche delle onde d’urto e delle interfacce in vari scenari spaziali e temporali con un dettaglio molto accurato. Poiché tali processi coinvolgono strutture su scala micrometrica e su tempi da micro a nanosecondi, gli esperimenti non sono pratici. Abbiamo scoperto un meccanismo finora sconosciuto in cui l’urto rompe una capsula oleosa riempita con un farmaco allo stato liquido, con al suo interno, a sua volta, una bolla di gas. L’onda d’urto fa sì che il gas interno fornisca un microgetto altamente focalizzato e schermato del materiale interno, in una quantità molto precisa, attraverso un surrogato della membrana cellulare. Stiamo esplorando ulteriormente questo meccanismo, in particolare per quanto riguarda la somministrazione mirata di farmaci», aggiunge Adams. Il lavoro è stato reso possibile da nuovi modelli numerici ad alta risoluzione per la dinamica dei gas e dei liquidi, e dalle cosiddette rappresentazioni level-set delle interfacce, utilizzando il calcolo parallelo per le simulazioni su centinaia di migliaia di unità di elaborazione dei supercomputer.

Applicazioni più efficienti

L’ambiente di simulazione ALPACA può essere utilizzato per studiare i fenomeni fisici fondamentali, ottimizzare i parametri di progettazione per una serie di applicazioni e sostenere la scoperta di nuove soluzioni. «I nostri modelli possono essere utilizzati come generatori di dati per aiutare a rilevare i meccanismi fisici nascosti e le relazioni dei fenomeni di flusso», afferma Adams. Il progetto ha intrapreso collaborazioni con altri gruppi di ricerca, tuttora in corso. Una di queste riguarda il contributo di dati numerici per gli esperimenti sulla produzione di nanoparticelle. In un’altra, il team co-sviluppa strumenti avanzati per previsioni più accurate dei flussi del bagno fuso nella produzione additiva del metallo.

Parole chiave

NANOSHOCK, somministrazione di farmaci, fluidodinamica, meccanica dei fluidi, fluido, liquidi, gas, onde d’urto, goccioline, cellule, micrometro, nanosecondo, simulazione

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