La jonction est la clé : Les chercheurs décryptent la dynamique de transport des milieux poreux
Quelles lois régissent le passage des produits chimiques à travers les filtres ? Comment des gouttelettes d'huile se déplacent-elles à travers des couches de pierre ? Comment les cellules sanguines se déplacent-elles dans un organisme vivant ?
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université technique de Munich (TUM) et l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation (MPI-DS) a découvert comment la géométrie de l'espace des pores influe sur le transport des substances dans les fluides.
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La concentration demande de l'énergie. Pendant que vous lisez cet article, les vaisseaux sanguins de votre cerveau se dilatent et la vitesse du flux sanguin ralentit afin que vos "neurones de lecture" reçoivent davantage de glucose et de molécules d'oxygène du flux sanguin. "Tout cela se produit sans aucune action de notre part. Au fil de l'évolution, la nature a développé la capacité d'adapter exactement le flux sanguin aux besoins changeants des organismes", explique Karen Alim, professeur de théorie des réseaux biologiques à la TUM et chef du groupe de recherche Max Planck au MPI-DS. "Notre objectif est de comprendre la physique qui sous-tend ce réseau adaptatif".
L'équipe de recherche, qui comprenait des scientifiques de la Nottingham Trent University, s'est rapprochée de cet objectif : pour la première fois, leur nouveau modèle décrit comment le transport de substances à travers des milieux poreux complexes est contrôlé par les structures microscopiques de ces milieux.
Les milieux poreux - dans les organismes comme dans les matériaux produits techniquement - sont caractérisés par un système complexe de cavités qui peuvent être pénétrées par des fluides transportant certaines substances : Dans les organismes vivants, des milliards de cellules sont alimentées par de petits et même de minuscules vaisseaux sanguins ; l'eau et le pétrole peuvent circuler à travers les pores du grès, et les bioréacteurs et les filtres contiennent des matériaux catalytiques poreux qui augmentent la surface réactive.
Le secret des microécoulements
Pour étudier le principe physique de l'écoulement qui sous-tend ces mouvements, Alim et son équipe ont choisi une nouvelle approche expérimentale : comme modèle de milieu poreux, les chercheurs ont choisi des micropuces qu'ils ont ensuite équipées de minuscules obstructions en forme de piliers avant de laisser un fluide coloré s'écouler à travers les puces. Ils ont étudié trois géométries d'obstruction différentes : Dans la première variante, les minuscules piliers étaient positionnés sur un modèle de base parfaitement symétrique, dans le deuxième cas, il y avait de légers écarts par rapport à cette symétrie et dans le troisième cas, les piliers étaient disposés selon un modèle chaotique. Les chercheurs ont ensuite mesuré la régularité de la dispersion du liquide coloré dans l'ensemble de l'espace poreux.
"Le résultat a été une surprise totale", se souvient l'auteur principal, Felix Meigel. Les chercheurs s'attendaient à ce que le liquide pénètre le plus efficacement dans la puce au motif symétrique. Mais en fait, le transport de la couleur n'a été que médiocre ici : La couleur se dispersait toujours dans le sens de l'écoulement, mais ne se déplaçait pas dans les pores voisins. La meilleure performance a été cependant la puce avec les obstructions légèrement irrégulières : Ici, le liquide marqué avec la couleur a fait des méandres dans les deux sens et a ainsi rapidement rempli tout l'espace des pores. Les plus mauvais résultats ont été obtenus avec la puce comportant des obstructions disposées de manière aléatoire : Des zones se sont formées, que le liquide coloré n'a pas pu atteindre ; l'efficacité du transport du liquide était donc faible.
La ramification est la clé
Les scientifiques ont maintenant pu expliquer le phénomène par des calculs : "La clé pour comprendre ce qui se passait était le réseau que forment les pores", explique Alim. "Les recherches précédentes se concentraient sur les pores individuels, ce qui ne permettait pas d'examiner le système global complexe. Nous avons pu montrer que le facteur décisif est l'environnement immédiat des pores." Ainsi, la façon dont le liquide se disperse dépend principalement de la ramification des espaces de pores, les unités de jonction des pores. Comme les jonctions dans un système de tuyaux d'eau, elles contrôlent la direction et la vitesse de l'écoulement.
"Les résultats peuvent maintenant aider au développement de matériaux dans lesquels les liquides peuvent se disperser de manière optimale", prévoit Mme Alim, ajoutant que cela pourrait permettre d'optimiser le transport des ions dans les batteries ou d'augmenter l'efficacité des catalyseurs et des filtres qui dépendent de la manière dont les réactifs liquides circulent autour d'un catalyseur ou d'un matériau absorbant. Enfin, selon elle, les nouvelles découvertes permettront de mieux comprendre la dynamique des réseaux veineux dans les organismes vivants. Dans son prochain projet, la physicienne prévoit d'étudier comment les neurotransmetteurs contrôlent l'optimisation du transport sanguin.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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