Las funciones biológicas generalmente ocurren en medios acuosos. Es en ellos donde tienen lugar las reacciones químicas que sustentan la vida y su evolución. Dichos medios pueden ser soluciones acuosas con iones en suspensión, y juegan un papel al transportar macromoléculas, entre otras características. Es decir, estamos hablando de fluidos, los cuales pueden estar sujetos a una variedad de condiciones, tales como perturbaciones intrínsecas o impuestas. En el caso de fuerzas aplicadas externamente una de estas influencias externas puede ser el campo magnético [1].
En el siguiente ejemplo de acoplamiento multifísico, se tiene un balón de vidrio con un medio acuoso en su interior. El medio contiene minerales y células vegetales o microalgas. Se incluye una varilla por donde ingresa aire. Tras el ingreso de aire, se crean burbujas que inducen la circulación del fluido. Luego, existe la influencia de un campo magnético externo, producido por un anillo de 4 imanes permanentes de Neodimio. Por lo tanto, las especies cargadas (iones) están en movimiento relativo a las líneas del campo magnético. La idea de someter al sistema biológico a estas condiciones es estresar las células para inducir una respuesta inhibitoria o de alta producción de especies antioxidantes (ver detalles en [2]).
Figura 1: (a) Matraz de Balón conteniendo un medio de cultivo con un arreglo de imanes alrededor [2]. (b) Modelo 3D. (c) Modelo 2D axisimétrico a partir de (b).
En cuanto a la modelización, se ha utilizado la interfaz de Magnetic Fields (ACDC) y de Bubbly Flow (CFD). Esto ha sido necesario para incluir la producción de burbujas tras el ingreso de aire al medio acuoso. En Magnetic Fields se calcula la densidad de flujo magnético (B), a través del vector potencial magnético, y la Fuerza de Lorentz (FL). Esta última depende de la velocidad, calculada en Bubbly Flow. Por otro lado, en Bubble Flow se utiliza la Fuerza de Lorentz como una fuerza volumétrica que eventualmente puede afectar al campo de velocidad. Así, existe un acoplamiento entre ambas físicas. La geometría se ha hecho en 2D axis simétrico para estudiar la multifísica. Por el eje de simetría se encuentra la varilla por donde entra aire y produce burbujas (ver Figura 1). Por esto, la velocidad del fluido es mayor en aquella zona. Por otro lado, la fuerza volumétrica tiene mayor intensidad cuanto mayor se está cerca del imán permanente (cuadrado a la derecha). Ver figura 2.
Figura 2: Magnitud de la velocidad del fluido y fuerza volumétrica debido a la presencia de un imán permanente.
En general, cuando en un sistema los fluidos están acoplados con campos magnéticos, éste se describe en términos de la magnetohidrodinámica. Es necesario destacar que en la versión 6.1 de COMSOL existe un acoplamiento predefinido entre las interfaces de Magnetic and Electric Fields (mef) y Laminar Flow (spf). Este caso de estudio se expuso durante el Webinar sobre novedades en COMSOL Multiphysics 6.1 (ver [3]).
Referencias
[1] Appl. Sci. 2020, 10(2), 531;
[2] Mar. Drugs 2021, 19(9), 527;
[3] https://www.addlink.es/eventos/comsol/webinar-novedades-en-comsol-multiphysics-6-1