Quelles lois régissent le passage des produits chimiques à travers les filtres ? Comment les gouttelettes d’huile se déplacent-elles à travers les couches de pierre ? Comment les cellules sanguines voyagent-elles dans un organisme vivant ? Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université technique de Munich (TUM) et l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation (MPI-DS) a découvert comment la géométrie de l’espace poreux affecte le transport des substances à travers les fluides.
La concentration demande de l’énergie. Au fur et à mesure que vous lisez cet article, les vaisseaux sanguins de votre cerveau se dilatent et la vitesse du flux sanguin ralentit, de sorte que vos « neurones de lecture » reçoivent plus de molécules de glucose et d’oxygène du flux sanguin.
« Tout cela se produit sans aucune action de notre part. Au cours de l’évolution, la nature a développé la capacité d’adapter exactement le flux sanguin pour répondre aux besoins changeants des organismes », explique Karen Alim, professeur TUM de théorie des réseaux biologiques et groupe de recherche Max Planck. Leader au MPI-DS. « Notre objectif est de comprendre la physique sous-jacente à ce réseau adaptatif. »
L’équipe de recherche, qui comprenait des scientifiques de l’Université de Nottingham Trent, a maintenant fait un grand pas de plus vers 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 des milieux.
Les milieux poreux, dans les organismes comme dans les matériaux fabriqués techniquement, sont caractérisés par un système complexe de cavités dans lesquelles peuvent pénétrer des fluides transportant certaines substances : dans les organismes vivants, des milliards de cellules sont alimentées par des vaisseaux sanguins petits, voire minuscules ; l’eau et l’huile peuvent circuler à travers les pores du grès, et les bioréacteurs et les filtres contiennent des matériaux catalyseurs poreux qui augmentent la surface réactive.
Le secret des microflux
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 pour les milieux poreux, les chercheurs ont choisi des micropuces qu’ils ont ensuite équipées de minuscules obstructions en forme de pilier avant de laisser s’écouler un fluide coloré. à travers les puces.
Ils ont étudié trois géométries d’obstruction différentes : dans la première variante, les piliers minuscules étaient positionnés sur un motif de base parfaitement symétrique, dans le second cas, il y avait de légers écarts par rapport à cette symétrie et dans le troisième cas, les piliers étaient disposés selon un motif chaotique. Les chercheurs ont ensuite mesuré l’uniformité de dispersion du liquide coloré dans tout 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 plus efficacement dans la puce avec le motif symétrique. Mais en fait, le transport de couleur n’était ici que médiocre : la couleur se dispersait toujours dans le sens de l’écoulement, mais ne se déplaçait pas dans les espaces poreux voisins.
Le plus performant était cependant la puce avec les obstructions légèrement irrégulières : ici, le liquide marqué de couleur serpentait d’avant en arrière et remplissait ainsi rapidement tout l’espace poreux. Les pires résultats provenaient de la puce avec les obstructions disposées au hasard : Ici, des zones se sont formées que le liquide coloré n’a pas du tout atteintes ; l’efficacité du transport du liquide était en conséquence médiocre.
La ramification est la clé
Les scientifiques ont maintenant été en mesure d’utiliser des calculs pour expliquer le phénomène : « La clé pour comprendre ce qui se passait était le réseau que les pores forment », explique Alim. « Les recherches précédentes se concentraient sur les pores individuels, ce qui rendait impossible l’examen du 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 poreux, les unités pores-jonction. Comme les jonctions dans un système de conduites d’eau, ils contrôlent la direction et la vitesse d’écoulement.
« Les résultats peuvent maintenant aider au développement de matériaux dans lesquels les liquides peuvent se disperser de manière optimale », prédit Alim, ajoutant que cela pourrait aider à optimiser le transport des ions dans les batteries ou à augmenter l’efficacité des catalyseurs et des filtres qui dépendent de la façon dont les réactifs liquides circulent. autour d’un catalyseur ou d’un matériau absorbant.
Et enfin, dit-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.
Les résultats sont publiés dans la revue Communication Nature.
Plus d’information:
Felix J. Meigel et al, La dynamique du transport dispersif dans les milieux poreux émerge de corrélations locales, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-33485-5