Nueva comprensión de cómo se acumulan las partículas en lagos y océanos
Un equipo de matemáticos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y la Brown University descubrió un nuevo fenómeno que genera una fuerza fluídica capaz de mover y unir partículas sumergidas en fluidos de diferentes densidades.
El avance ofrece una alternativa a las suposiciones anteriores sobre cómo se acumulan las partículas en lagos y océanos y podría dar lugar a aplicaciones en la localización de puntos críticos biológicos, limpieza del medio ambiente e incluso en la clasificación y el embalaje.
La forma en que la materia se deposita y se acumula bajo la gravitación en sistemas fluidos, como lagos y océanos, es un amplia e importante área de estudio científico, que impacta enormemente a la humanidad y al planeta. Observemos la "nieve marina", la lluvia de materia orgánica que cae constantemente de las aguas superiores al océano profundo. La nieve marina rica en nutrientes no solo es esencial para la cadena alimentaria mundial, sino que sus acumulaciones en las profundidades salinas representan el sumidero de carbono más grande de la Tierra y uno de los componentes menos entendidos del ciclo de carbono del planeta. También existe la creciente preocupación por los microplásticos que se encuentran en los giros oceánicos.
La acumulación de partículas oceánicas se ha entendido durante mucho tiempo como el resultado de colisiones y adherencias fortuitas. Pero un completamente diferente e inesperado fenómeno está funcionando en la columna de agua, según un artículo publicado el 20 de diciembre de 2019 en Nature Communications por un equipo dirigido por los profesores Richard McLaughlin y Roberto Camassa del Centro de Matemáticas Aplicadas Interdisciplinarias en la Facultad de Artes y Ciencias de Carolina, junto con su estudiante graduado de UNC-Chapel, Hill Robert Hunt, y Dan Harris de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Brown.
En el documento, los investigadores demuestran que las partículas suspendidas en fluidos de diferentes densidades, como el agua de mar de diferentes capas de salinidad, exhiben dos comportamientos previamente no descubiertos. Primero, las partículas se autoensamblan sin atracción electrostática o magnética o, en el caso de microorganismos, sin dispositivos de propulsión tales como flagelos o cilios. En segundo lugar, se agrupan sin necesidad de adhesivo u otras fuerzas de unión. Cuanto más grande es el entramado, más fuerte es la fuerza de atracción.
Al igual que muchos descubrimientos, este comenzó accidentalmente, hace un par de años, durante una demostración para VIP que visitaron el Laboratorio de Fluidos de Matemáticas Aplicadas y Ciencias Marinas Conjuntas que dirigen Camassa y McLaughlin. La pareja, fascinada por los fluidos estratificados, tenía la intención de mostrar un truco de salón favorito: cómo las esferas vertidas en un tanque de agua salada "rebotarán" en su camino hacia el fondo, siempre que el fluido esté estratificado uniformemente por la densidad. Pero el estudiante graduado a cargo del experimento cometió un error al establecer la densidad del fluido inferior. Las esferas rebotaban y luego colgaban allí, sumergidas pero sin hundirse hasta el fondo.
“Y luego tomé lo que fue una buena decisión”, dijo McLaughlin, “no limpiar el desorden”. Ve a casa, le dijo al estudiante graduado. Lo trataremos más tarde. A la mañana siguiente, las bolas todavía estaban suspendidas, pero habían comenzado a agruparse, a ensamblarse sin razón aparente.
Imagen: Series temporales de autoensamblaje de recolección de esferas de flotabilidad neutra suspendidas dentro de un fluido fuertemente estratificado en sal visto desde arriba.
Los investigadores finalmente descubrieron la razón, aunque llevó más de dos años de estudios experimentales de referencia y muchas matemáticas.
Puedes ver el fenómeno en acción en el vídeo de arriba producido por los investigadores. Las microperlas de plástico que se dejan caer en un recipiente de agua salada con agua dulce menos densa son empujadas hacia abajo por la fuerza de la gravedad y empujadas hacia arriba por la flotabilidad. Mientras cuelgan suspendidas, la interacción entre la flotabilidad y la difusión, que actúa para equilibrar el gradiente de concentración de sal, crea flujos alrededor de las microperlas, lo que hace que se muevan lentamente. Sin embargo, en lugar de moverse al azar, se agrupan y resuelven sus propios rompecabezas. A medida que crecen los racimos, aumenta la fuerza del fluido.
"Es casi como si hubiéramos descubierto una nueva fuerza efectiva", dijo Camassa.
El descubrimiento de este mecanismo de primer principio previamente desconocido abre las puertas de la comprensión de cómo se organiza la materia en el medio ambiente. En cuerpos de agua altamente estratificados, como los estuarios y el océano profundo, poder comprender matemáticamente el fenómeno puede permitir a los científicos modelar y predecir la ubicación de los puntos críticos biológicos, incluidas las zonas de alimentación para peces comerciales o especies en peligro de extinción.
Aprovechar el poder del fenómeno también podría conducir a mejores formas de localizar microplásticos oceánicos o incluso petróleo a partir de derrames de petróleo en las profundidades del mar. O, en una versión de tamaño industrial del experimento de Fluids Lab, el mecanismo podría usarse para clasificar materiales de diferentes densidades, por ejemplo, diferentes colores de vidrio reciclado triturado.
"Hemos estado trabajando durante años con sistemas estratificados, típicamente observando cómo las cosas caen a través de ellos", dijo McLaughlin. "Esta es una de las cosas más emocionantes que he encontrado en mi carrera".
Referencia científica: "A first-principle mechanism for particulate aggregation and self-assembly in stratified fluids" by Roberto Camassa, Daniel M. Harris, Robert Hunt, Zeliha Kilic and Richard M. McLaughlin, 20 December 2019, Nature Communications.
