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Interferencia (física)

El atasco durante la descarga de material granular se debe a la formación de arcos (esferas rojas)

El bloqueo es el proceso físico por el cual la viscosidad de algunos materiales mesoscópicos , como materiales granulares , vidrios , espumas , polímeros , emulsiones y otros fluidos complejos , aumenta con el aumento de la densidad de partículas. La transición de bloqueo se ha propuesto como un nuevo tipo de transición de fase , con similitudes con una transición vítrea pero muy diferente de la formación de sólidos cristalinos . [1]

Mientras que la transición vítrea ocurre cuando el estado líquido se enfría, la transición de bloqueo ocurre cuando la densidad, o la fracción de empaquetamiento de las partículas, aumenta. Este amontonamiento de las partículas constituyentes les impide fluir bajo una tensión aplicada y explorar el espacio de fases , lo que hace que el material agregado se comporte como un sólido. El sistema puede ser capaz de desatascarse si la fracción de volumen se reduce o se aplican tensiones externas de manera que excedan el límite elástico. Esta transición es interesante porque no es lineal con respecto a la fracción de volumen.

El diagrama de fase de bloqueo relaciona la transición de bloqueo con la densidad inversa, la tensión y la temperatura. [2]

La densidad a la que se atascan los sistemas está determinada por muchos factores, entre ellos la forma de sus componentes, la deformabilidad de las partículas, las fuerzas de fricción entre partículas y el grado de dispersión del sistema. La forma general de la variedad de atascamiento puede depender del sistema en particular. Por ejemplo, una característica particularmente interesante de la transición de atascamiento es la diferencia entre sistemas de partículas atractivas y repulsivas. No se sabe con certeza si la superficie de atascamiento diverge para densidades suficientemente altas o temperaturas bajas.

Las simulaciones de sistemas atascados estudian las configuraciones de partículas que provocan el atascamiento tanto en sistemas estáticos como en sistemas sometidos a esfuerzo cortante. Bajo tensión cortante , el tamaño medio del grupo puede divergir después de una cantidad finita de deformación, lo que conduce a un estado atascado. Una configuración de partículas puede existir en un estado atascado con una tensión necesaria para "romper" las cadenas de fuerza que provocan el atascamiento.

La realización más simple de un sistema atascado estático es un empaque aleatorio de esferas blandas sin fricción que se atascan entre sí al aplicar una presión hidrostática externa al empaque. Justo en la transición de atascamiento, la presión aplicada es cero y el módulo de corte también es cero, lo que coincide con la pérdida de rigidez y el desatascamiento del sistema. Además, en el punto de atascamiento, el sistema es isostático. Por encima del punto de atascamiento, la presión aplicada provoca un aumento de la fracción de volumen al apretar las esferas blandas para acercarlas y, por lo tanto, crea contactos adicionales entre esferas vecinas. Esto conduce a un aumento del número promedio de contactos . Como se muestra en las simulaciones numéricas de Corey O'Hern y colaboradores, el módulo de corte G aumenta con el aumento de la ley: , donde d es la dimensión del espacio. [3] Una teoría microscópica de primeros principios de la elasticidad desarrollada por Alessio Zaccone y E. Scossa-Romano explica cuantitativamente esta ley en términos de dos contribuciones: el primer término es una contribución de tipo enlazante, por lo tanto proporcional a , y relacionada con los desplazamientos de partículas que siguen exactamente la deformación cortante aplicada ; el segundo término (negativo) se debe a las relajaciones internas necesarias para mantener el equilibrio mecánico local en un entorno desordenado y deformado, y por lo tanto proporcional al número total de grados de libertad, de ahí la dependencia de la dimensión espacial d . [4] Este modelo es relevante para emulsiones comprimidas, donde la fricción entre partículas es insignificante. Otro ejemplo de sistema atascado estático es una pila de arena, que está atascada bajo la fuerza de la gravedad y no se disipa energía.

Los sistemas que consumen energía también se describen a veces como atascados. Un ejemplo son los atascos de tráfico , donde debido a los atascos la velocidad media de los coches en una carretera puede caer bruscamente. En este caso, los coches en una carretera pueden considerarse como un material granular o un fluido no newtoniano que se bombea a través de un tubo. Allí, en determinadas condiciones, la viscosidad efectiva puede aumentar rápidamente, lo que aumenta drásticamente la resistencia del material granular o del fluido a fluir y, por tanto, hace que la velocidad caiga o incluso se detenga por completo. En esta analogía, los coches son como los granos de un material granular y, si son lo suficientemente densos (es decir, están lo suficientemente espaciados a lo largo de la carretera), las interacciones entre los coches (ya que deben evitarse entre sí para no chocar) provocan atascos. Un modelo sencillo de este comportamiento es el modelo de Nagel-Schreckenberg .

El concepto de bloqueo también puede considerarse desde una perspectiva biofísica para caracterizar la detención del movimiento celular. [5] La motilidad celular es importante en muchos procesos biológicos, incluida la morfogénesis tisular, la cicatrización de heridas y la invasión del cáncer. [6] [7] La ​​caracterización de los mecanismos que dan lugar a estos fenómenos de "bloqueo" y "desbloqueo" puede proporcionar una visión más matizada del desarrollo tisular y ayudar a identificar nuevos objetivos para terapias contra enfermedades. [5] [8] La identificación de las propiedades que definen estos cambios de fase celular ha sido un tema de reciente interés. El bloqueo basado en la densidad celular es análogo al bloqueo de partículas en la ciencia física, ya que la viscosidad de un grupo de células, como un grupo de partículas, aumentará a medida que aumenta la densidad celular. Otros parámetros clave discutidos de forma única para el bloqueo celular incluyen la forma celular, el contacto célula-célula y el movimiento celular, estudiados tanto en la organización embrionaria [9] como en el asma. [10] Estos factores están estrechamente relacionados entre sí. En un intento de ilustrar los mecanismos del bloqueo celular, Lawson-Keister et. Utilizan tres factores: a) densidad, b) incompatibilidad geométrica y c) fluctuaciones. [5] Los esfuerzos para cuantificar experimentalmente las fases viscoelásticas celulares incluyen la inyección in vivo de ferrofluido sensible a la fuerza, [11] aspiración con micropipeta, [12] y correlación de imágenes digitales 3D del desplazamiento celular. [13]


Referencias

  1. ^ Biroli, Giulio (abril de 2007). "Jamming: ¿Un nuevo tipo de transición de fase?". Nature Physics . 3 (4): 222–223. Bibcode :2007NatPh...3..222B. doi :10.1038/nphys580 . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
  2. ^ Trappe, V.; et al. (14 de junio de 2001). "Jamming phase diagram for attractive particle" (Diagrama de fase de interferencia para partículas atractivas). Nature . 411 (6839): 772–775. Bibcode :2001Natur.411..772T. doi :10.1038/35081021. PMID  11459050. S2CID  661556 . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
  3. ^ O'Hern, CS; Silbert, LE; Liu, AJ; Nagel, SR (2003). "Atasco a temperatura cero y estrés aplicado cero: el epítome del desorden". Physical Review E . 68 (1 Pt 1): 011306. arXiv : cond-mat/0304421 . Bibcode :2003PhRvE..68a1306O. doi : 10.1103/PhysRevE.68.011306 . PMID  12935136.
  4. ^ Zaccone, A.; Scossa-Romano, E. (2011). "Descripción analítica aproximada de la respuesta no afín de sólidos amorfos". Physical Review B . 83 (18): 184205. arXiv : 1102.0162 . Código Bibliográfico :2011PhRvB..83r4205Z. doi :10.1103/PhysRevB.83.184205. S2CID  119256092.
  5. ^ abc Lawson-Keister, Elizabeth; Manning, M. Lisa (1 de octubre de 2021). "Bloqueo y detención del movimiento celular en tejidos biológicos". Current Opinion in Cell Biology . Cell Dynamics. 72 : 146–155. arXiv : 2102.11255 . doi :10.1016/j.ceb.2021.07.011. ISSN  0955-0674 . Consultado el 11 de julio de 2024 .
  6. ^ Ilina, Olga; Gritsenko, Pavlo G.; Syga, Simón; Lippoldt, Jürgen; La Porta, Caterina AM; Chepizhko, Oleksandr; Grosser, Steffen; Vullings, Manon; Bakker, Gert-Jan; Starruß, Jörn; Bulto, Peter; Zapperi, Stefano; Käs, Josef A.; Alemán, Andreas; Friedl, Peter (24 de agosto de 2020). "La adhesión célula-célula y el confinamiento de la matriz 3D determinan las transiciones de interferencia en la invasión del cáncer de mama". Biología celular de la naturaleza . 22 (9): 1103-1115. doi :10.1038/s41556-020-0552-6. ISSN  1476-4679. PMC 7502685 . Recuperado el 12 de julio de 2024 . 
  7. ^ Haeger, Anna; Krause, Marina; Wolf, Katarina; Friedl, Peter (1 de agosto de 2014). "Bloqueo celular: invasión colectiva de células tumorales mesenquimales impuesta por confinamiento tisular". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Temas generales . Propiedades y comportamiento celular mediado por matriz. 1840 (8): 2386–2395. doi :10.1016/j.bbagen.2014.03.020. ISSN  0304-4165 . Consultado el 12 de julio de 2024 .
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  9. ^ Petridou, Nicoletta I; Heisenberg, Carl‐Philipp (15 de octubre de 2019). «Reología tisular en la organización embrionaria». The EMBO Journal . 38 (20): –102497. doi :10.15252/embj.2019102497. ISSN  0261-4189. PMC 6792012 . Consultado el 15 de julio de 2024 . 
  10. ^ Park, Jin-Ah; Kim, Jae Hun; Bi, Dapeng; Mitchel, Jennifer A.; Qazvini, Nader Taheri; Tantisira, Kelan; Park, Chan Young; McGill, Maureen; Kim, Sae-Hoon; Gweon, Bomi; Notbohm, Jacob; Steward Jr, Robert; Burger, Stephanie; Randell, Scott H.; Kho, Alvin T.; Tambe, Dhananjay T.; Hardin, Corey; Shore, Stephanie A.; Israel, Elliot; Weitz, David A.; Tschumperlin, Daniel J.; Henske, Elizabeth P.; Weiss, Scott T.; Manning, M. Lisa; Butler, James P.; Drazen, Jeffrey M.; Fredberg, Jeffrey J. (3 de agosto de 2015). "Desbloqueo y forma celular en el epitelio de las vías respiratorias asmáticas". Nature Materials . 14 (10): 1040–1048. doi :10.1038/nmat4357. ISSN  1476-1122. PMC 4666305 . Consultado el 15 de julio de 2024 . 
  11. ^ Mongera, Alessandro; Rowghanian, Payam; Gustafson, Hannah J.; Shelton, Elijah; Kealhofer, David A.; Carn, Emmet K.; Serwane, Friedhelm; Lucio, Adam A.; Giammona, James; Campàs, Otger (septiembre de 2018). "Una transición de interferencia de fluido a sólido subyace a la elongación del eje corporal de los vertebrados". Nature . 561 (7723): 401–405. doi :10.1038/s41586-018-0479-2. ISSN  1476-4687. PMC 6148385 . PMID  30185907. 
  12. ^ Petridou, Nicoletta I.; Corominas-Murtra, Bernat; Heisenberg, Carl-Philipp; Hannezo, Edouard (abril de 2021). "La percolación de la rigidez descubre una base estructural para las transiciones de fase del tejido embrionario". Cell . 184 (7): 1914–1928.e19. doi :10.1016/j.cell.2021.02.017. ISSN  0092-8674. PMC 8055543 . PMID  33730596. 
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