Se proponen un conjunto de técnicas experimentales y numéricas para estudiar la dinámica de deformación, ruptura y coalescencia de objetos embebidos en un líquido. Desde pequeñas gotas hasta liposomas. Tanto las técnicas numéricas como las experimentales son novedosas, algunas de ellas con características únicas a nivel mundial, buscando con ello la compresión de fenómenos con un enorme campo de aplicaciones biomédicas, industriales y científicas. Tres son las grandes líneas de acción: (a) Métodos experimentales con flujos fuertes. Los flujos a generar en esta propuesta no han sido estudiados, excepto por nuestro grupo. Tienen la bondad de analizar la dinámica de sistemas, con una muy alta precisión, desde condiciones que por un lado se acercan asimptóticamente a un flujo cortante simple, y por el otro a un flujo puramente elongacional, pudiéndose variar en forma continua la contribución de vorticidad sobre la rapidez de deformación. (b) Métodos experimentales con campos sónicos. Los métodos de excitación propuestos son de relevancia para objetos embebidos de tamaño microscópico o menor. En estos casos determinar los mecanismos de ruptura son indispensables para determinar las potencias requeridas, de las frecuencias óptimas y de los procesos que generan el menor daño al entorno. Todas ellas condiciones indispensables de conocer el aplicaciones biomédicas o de relevancia biotecnológia. (c) Métodos numéricos para superficies libres. La simulación de interfaces no rígidas (libres) presenta retos significativos pues los esfuerzos externos están acoplados a la dinámica al interior de la gota, liposoma, etc. Los métodos son novedosos, y ciertamente es novedosa su aplicación a las condiciones de excitación externa aquí propuestas. La bondad de su aplicación es que un experimento numérico es mucho más detallado y puede realizarse más fácilmente que uno de laboratorio. Es una poderosa y versátil herramienta que facilitan la compresión de los modelos físicos y son indispensables para calibrar (benchmarking) los posibles modelos teóricos. Los estudios propuestos tienen una gran relevancia desde una perspectiva de ciencia básica porque prácticamente nada se conoce de las condiciones experimentales propuestas, sean flujos fuertes o excitación ultrasónica. Asimismo, las técnicas numéricas se han utilizado poco bajo las condiciones aquí propuestas. Las técnicas numéricas son muy poderosas para la simulación de una compleja estructura interfacial como las que aquí se proponen. Y finalmente las posibles aplicaciones tecnológicas en flujos, ultrasonido y propiedades mecánicas de elementos para las biomedicina son igualmente relevantes.

Podemos plantear dos contribuciones significativas de esta propuesta: las primeras, tienen que ver con el uso de técnicas únicas en nuestros laboratorios, que ofrecen un excelente potencial de uso; y las segundas con el alcance de las investigaciones que con ellos deseamos realizar. Respecto de las herramientas experimentales propuestas: El molino de dos rodillos (MDR). Los flujos elongacionales con vorticidad que genera el MDR se reportan por primera vez en la literatura por nuestro grupo. Asimismo, el MDR permite el estudio de dinámica de deformación de gotas mediante un algoritmo de control del tipo Poincaré-Bendixon, desarrollado por nosotros. Este algoritmo es muy general y robusto, tanto en la práctica como teóricamente. El dispositivo también cuenta con una solución analítica para los flujos que genera, y son una excelente prueba de la calidad del dispositivo y su potencial uso. Los flujos que podemos generar en nuestro laboratorio son un complemento de aquellos posibles de generar con un molino de cuatro rodillos —fuertemente elongacionales con mínima vorticidad— y los flujos cortantes simples. Los primeros deforman la estructura exponencialmente en el tiempo y los segundos algebraicamente en el mejor de los casos. Asimismo, los valores posibles —de la rapidez de deformación y de los tipos de flujos elongacionales— por aplicarse no han sido reportados por otro grupo excepto el nuestro, siendo nuestro grupo el impulsor de la técnica a nivel mundial. El equipo está en operación y es la base para los experimentos de dinámica de gotas, para determinación de la tensión superficial en condiciones novedosas, y hacia el final de proyecto para probar la posibilidad de estudiar liposomas, células y otros cuerpos. También contamos con otro experimento (flujo cortante simple acoplado a un microscópico estereográfico para estudiar la estructura de emulsiones, así como un tercer experimento en el que la dinámica de las gotas se facilita mediante fuerzas gravitacionales. La dinámica de gotas. Conocer la dinámica de deformación de una gota ofrece un método para calibrar una gran variedad de modelos de hidrodinámica de flujos lentos que hasta ahora no han sido desarrollados esencialmente porque la información experimental relevante no existe. En particular, la clase de flujos elongacionales con suficiente vorticidad como los generados por un MDR no han sido reportados. Y sin embargo, son estas condiciones de mezcla—rapidez de deformación/vorticidad—las que dominan la gran mayoría de procesos en la naturaleza. De aquí que caracterizar dicha dinámica ofrece múltiples métodos y datos para la calibración de sinnúmero de posibles aplicaciones. Éste es, a nuestro juicio, el principal objetivo de nuestro laboratorio. Y para el mundo de las aplicaciones existen una amplia variedad de geometrías MDR —e. g., geometrías asimétricas, flujos asimétricos, líquidos viscoelásticos, etc.— que aún no se han explorado. Determinación de las propiedades de tensión superficial y el efecto de surfactantes Con los experimentos propuestos es posible medir la propiedades mecánicas de una interfaz, aplicando varias metodologías diferentes. En algunas, se aplica la dinámica de una gota mientras que en otras la retracción de una gota elongada. Las primeras dependen fuertemente del tipo de flujo—y por tanto muestran una mayor riqueza de resultados y las posibles interpretaciones, a la vez de que carecen de modelos teóricos válidos para tan amplia gama de condiciones. En contraparte las segundas ofrecen la posibilidad de caracterizar gotas fuertemente elongadas, y permiten la aplicación de modelos teóricos válidos en un régimen de deformación asintóticamente opuesto. Es con un conjunto de metodologías que consideramos factible evaluar los efectos más complejos de un detergente o surfactante. Igualmente, esperamos diferenciar la respuesta mecánica de objetos encapsulados o células que depende de la rigidez de la interfaz. Respecto del alcance de las investigaciones propuestas: Simulaciones numéricas mediante técnicas de EdF y CdF. La posibilidad de calibrar las simulaciones sobre una amplia gama de condiciones experimentales nos permite también dilucidar —al menos tentativamente— la respuesta de otros sistemas embebidos que no hemos estudiado hasta ahora, pero que sin embargo tienen un amplísimo campo de aplicaciones. Es por ello, que deseamos integrar los mecanismos ultrasónicos para validar otros mecanismos de dinámica de gotas pero igualmente aplicarlos tentativamente a sistemas de menor tamaño como son los liposomas y células. Igualmente podemos evaluar en un futuro las posibles combinaciones de deformación de objetos embebidos con campos de presión acústicos. Estas y muchas otras posibles combinaciones no se han reportado en la literatura (basándonos en nuestro conocimiento del campo de trabajo). Las técnicas numéricas previamente calibradas serán una invaluable herramienta para el campo de las posibles aplicaciones y futuras investigaciones, por ejemplo en flujo multifásico en medios porosos.