Ons lichaam is aan de binnenkant bekleed met zachte, microscopisch kleine haartapijten, van de met gras begroeide extensies op onze smaakpapillen, naar donzige bedden van microvilli in onze maag, tot superfijne eiwitstrengen door onze bloedvaten. Deze harige projecties, verankerd aan zachte oppervlakken, buigen en draaien met de stromingen van de vloeistoffen waarin ze zijn ondergedompeld.

Nu hebben ingenieurs van MIT een manier gevonden om te voorspellen hoe zulke kleine, zachte haarbedden zullen buigen als reactie op de vloeistofstroom. Door middel van experimenten en wiskundige modellering, dat vonden ze, niet verrassend, stijve haren hebben de neiging rechtop te blijven in een vloeistofstroom, terwijl meer elastisch, hangende haren geven gemakkelijk mee aan een stroming.

Er is, echter, een zoete plek waarin haren, precies in de juiste hoek gebogen, met een elasticiteit die niet te zacht of stijf is, kan de vloeistof die er doorheen stroomt beïnvloeden. De onderzoekers ontdekten dat zulke schuine haren rechtzetten als er vloeistof tegenaan stroomt. In deze configuratie, de haren kunnen een vloeistofstroom vertragen, als een tijdelijk verhoogd rooster.

De resultaten, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , kan helpen de rol van harige oppervlakken in het lichaam te verlichten. Bijvoorbeeld, de onderzoekers stellen dat schuine haren in bloedvaten en de darmen kunnen buigen om de omliggende weefsels te beschermen tegen overtollige vloeistofstromen.

De bevindingen kunnen ingenieurs ook helpen bij het ontwerpen van nieuwe microfluïdische apparaten zoals hydraulische kleppen en diodes - kleine chips die de vloeistofstroom door verschillende kanalen sturen, via patronen van kleine, schuine haren.

"Op zeer kleine schaal het is erg moeilijk om dingen te ontwerpen met functionaliteiten die je kunt wisselen, " zegt Anette (Peko) Hosoi, professor en associate afdelingshoofd voor operaties in MIT's Department of Mechanical Engineering. "Deze gehoekte haren kunnen worden gebruikt om een ​​vloeistofdiode te maken die overschakelt van hoge weerstand naar laag wanneer vloeistof in de ene richting naar de andere stroomt."

Hosoi is een co-auteur van het papier, samen met hoofdauteur en MIT-postdoc José Alvarado, voormalig afgestudeerde student Jean Comtet, en Emmanuel de Langre, een professor in de afdeling Mechanica aan de École Polytechnique.

Van kattenbont tot haarborstels

"Er is veel werk verzet op grote schaal, het bestuderen van vloeistoffen zoals wind die langs een gras- of tarweveld stroomt, en hoe het buigen of veranderen van de vorm van een object de impedantie beïnvloedt, of vloeistofstroom, " zegt Alvarado. "Maar er is heel weinig werk op kleine schaal dat van toepassing kan zijn op biologische haren."

Om het gedrag van zeer kleine haartjes in reactie op stromende vloeistof te onderzoeken, het team maakte zachte haarbedden door kleine gaatjes in acrylplaten te lasersnijden, vulde vervolgens de gaten met vloeibaar polymeer. Eenmaal gestold, de onderzoekers haalden de polymeerhaarbedden uit de acrylvormen.

Op deze manier, het team maakte meerdere haarbedden, elk ongeveer zo groot als een kleine post-it. Voor elk bed, de onderzoekers veranderden de dichtheid, hoek, en elasticiteit van de haren.

"De dichtste zijn vergelijkbaar met korthaar kattenbont, en de laagste zijn zoiets als metalen haarborstels, ' zegt Alvarado.

Het team bestudeerde vervolgens de manier waarop haren reageerden op stromende vloeistof, door elk bed in een reometer te plaatsen - een instrument dat bestaat uit een cilinder in een andere. Wetenschappers vullen de ruimte tussen cilinders meestal met een vloeistof, draai vervolgens de binnencilinder en meet het koppel dat wordt gegenereerd wanneer de vloeistof de buitencilinder meesleept. Wetenschappers kunnen dit gemeten koppel vervolgens gebruiken om de viscositeit van de vloeistof te berekenen.

Voor hun experimenten Alvarado en Hosoi bekleedden de binnencilinder van de reometer met elk haarbed en vulden de ruimte tussen de cilinders met een stroperige, honingachtige olie. Het team heeft vervolgens het gegenereerde koppel gemeten, evenals hoe snel de binnencilinder draaide. Uit deze metingen is het team berekende de impedantie, of weerstand tegen stroming, gecreëerd door de haren.

"Wat verrassend is, is wat er gebeurde met schuine haren, " zegt Alvarado. "We zagen een verschil in impedantie afhankelijk van of vloeistof met of tegen de korrel stroomde. In principe, haren veranderden van vorm, en het veranderen van de stroom om hen heen."

"Interessante natuurkunde"

Om dit verder te bestuderen, het team, onder leiding van Comtet, een wiskundig model ontwikkeld om het gedrag van zachte haarbedden in aanwezigheid van een stromende vloeistof te karakteriseren. De onderzoekers werkten een formule uit die rekening houdt met variabelen zoals de snelheid van een vloeistof en de afmetingen van het haar, om de herschaalde snelheid te berekenen - een parameter die de snelheid van een vloeistof beschrijft versus de elasticiteit van een object in die vloeistof.

Ze ontdekten dat als de herschaalde snelheid te laag is, haren zijn relatief resistent tegen stroming en buigen slechts lichtjes als reactie. Als de herschaalde snelheid te hoog is, haren worden gemakkelijk gebogen of vervormd in de vloeistofstroom. Maar daar tussenin zoals Alvarado zegt, "interessante natuurkunde begint te gebeuren."

Bij dit regime een haar met een bepaalde hoek of elasticiteit vertoont een "asymmetrische weerstandsreactie" en zal alleen rechttrekken als de vloeistof tegen de haarrichting in stroomt, het vertragen van de vloeistof. Een vloeistof die uit bijna elke andere richting stroomt, laat de schuine haren - en de snelheid van de vloeistof - onverstoord.

Dit nieuwe model, Alvarado zegt, kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van microfluïdische apparaten, bekleed met schuine haren, die de vloeistofstroom passief over een chip leiden.

Hosoi zegt dat microfluïdische apparaten zoals hydraulische diodes een essentieel onderdeel zijn van de ontwikkeling van complexe hydraulische systemen die uiteindelijk echt werk kunnen doen.

"Computers en mobiele telefoons werden mogelijk gemaakt door de uitvinding van goedkope, vaste toestand, kleinschalige elektronica, " zegt Hosoi. "Op hydraulische systemen, we hebben dat soort revolutie niet gezien omdat alle componenten op zichzelf complex zijn. Als je klein kunt maken, goedkope vloeistofpompen, dioden, kleppen, en weerstanden, dan zou je dezelfde complexiteit moeten kunnen ontketenen die we zien in elektronische systemen, in hydraulische systemen. Nu is de solid-state hydraulische diode ontdekt."