Hidrodinâmica de fluidos vivos em microescoamentos.

Autor(es)

Sara Malvar Mauá

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2019-07-01

Membros da banca

Bruno Souza Carmo; Márcio da Silveira Carvalho; Carolina Palma Naveira Cotta; Julio Romano Meneghini; Cássio Machiaveli Oishi

• Orientador: Bruno Souza Carmo; Francisco Ricardo da Cunha

Resumo

A principal contribuição do presente trabalho é a proposição de um framework de análise de suspensões ativas utilizando como modelo vivo o nematoide Caenorhabditis elegans. Para tanto, cinco perspectivas diferentes são utilizadas: cinemática, macrorreológica, numérica, teórica e microrreológica. Primeiramente, uma análise teórica e experimental do movimento cinemático das partículas ativas suspensas em um fluido biológico é apresentada. Duas populações diferentes são examinadas: na ausência de alimento e com nematoides bem alimentados. Mostramos que a relação entre o comprimento de um nematoide individual e o comprimento de onda de seu movimento é linear e pode ser ajustada por uma previsão teórica proposta neste trabalho. Uma profunda discussão sobre a mecânica de propulsão com base em uma análise de escala que identifica três forças principais que atuam em um nematoide individual é feita. Além disso, investigamos a viscosidade de cisalhamento das suspensões de Caenorhabditis elegans. Os experimentos em cisalhamento oscilatório revelaram um comportamento anômalo da viscosidade com a variação da fração volumétrica de suspensão, ?. A viscosidade efetiva da suspensão diminuiu com o aumento da fração volumétrica do nematoide para pequenas concentrações. Baseando-se nos dados experimentais, uma equação fenomenológica para a viscosidade efetiva da suspensão em função da fração volumétrica de partículas é proposta. O comportamento coletivo dos nematoides é também observado, em regime linear, pela diferença de tensões normais. Finalmente, o teste de step strain é conduzido para obter os tempos de relaxação. A presença de uma tensão ativa negativa devido ao comportamento impulsor do nematoide persiste por um certo período, levando a um undershoot negativo e a um comportamento oscilatório na função de relaxação. A fim de propor um modelo reológico, simplificações são efetuadas no modelo e simulações usando o método de fronteira imersa são conduzidas em um filamento flexível, variando o tipo de movimento que este realiza. Observa-se que a presença de assimetrias em seu movimento ondulatório gera drásticas mudanças em suas respostas cinemáticas. Um modelo reológico em função da orientação do filamento é proposto e validado com os dados experimentais em regime linear. Após a validação da equação constitutiva proposta, o modelo é observado sob o regime não-linear do cisalhamento oscilatório, no qual as caracterizações reológicas são feitas com base nos frameworks existentes, utilizando curvas de Lissajous-Bowditch e diagramas de Pipkin. Por fim, é apresentado um protocolo de análise de suspensões em um microrreômetro. Partículas são adicionadas e rastreadas à medida que um cisalhamento unidirecional (escoamento pulsátil) é aplicado. Os perfis de velocidade e taxa de cisalhamento são obtidos, assim como os sinais reológicos equivalentes à taxa de deformação e tensão. Ferramentas de análise de sinais são utilizadas e um sistema de inteligência artificial é proposto para remoção da componente constante do sinal adicionada pelo cisalhamento unidirecional, visando reconstruir o sinal com média temporal nula e possibilitando a aplicação de teorias reológicas já conhecidas, como a decomposição de tensões em coeficientes de Chebyshev para o cálculo das quantidades viscométricas de conformidade e fluidez. A principal contribuição do estudo diz respeito à observação, caracterização, modelagem e simulação de um animal microscópico que se movimenta de maneira diferente dependendo do ambiente e do fluido circundante. As propriedades reológicas analisadas, as simulações realizadas e o modelo proposto podem ser utilizados tanto para a produção de microorganismos artificiais quanto para o controle de organismos vivos. Além disso, essa combinação de análises e técnicas pode ser usada para estudo de qualquer tipo de suspensão ativa e passiva, fornecendo resultados novos e conclusivos em relação à caracterização reológica e ao comportamento físico das partículas. (AU)

• Processo FAPESP: 16/14337-5 - Hidrodinâmica de Fluidos Ativos em Microescoamentos
• Beneficiário: Sara Malvar Mauá
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado