Modelo electrorreológico basado en membranas de cristales líquidos con aplicaciones a las células ciliadas externas
Autores: Herrera Valencia, Edtson Emilio; Rey, Alejandro D.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2018
Acceso abierto
Artículo científico
2018
Modelo electrorreológico basado en membranas de cristales líquidos con aplicaciones a las células ciliadas externas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Cristal líquido
Actuacion flexoelectrica
Curvatura de membranas
OHC
Flujos viscoelásticos
Acoplamientos electromecánicos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La actuación flexoelectrica de cristales líquidos utiliza un campo eléctrico impuesto para crear una deformación en la membrana, fenómeno que se encuentra en las células ciliadas externas (OHC) ubicadas en el oído interno, cuyo papel es amplificar el sonido a través de la generación de potencia mecánica. Las oscilaciones en las membranas de las OHC crean flujos viscoelásticos periódicos en los medios fluidos en contacto. Un objetivo clave de este trabajo sobre la actuación flexoelectrica relevante para las OHC es encontrar las relaciones y el impacto de las propiedades electro-mecánicas de la membrana, las propiedades reológicas de los medios viscoelásticos y la respuesta en frecuencia de la potencia mecánica generada. El modelo desarrollado y utilizado en este trabajo se basa en la integración de: (i) la ecuación de forma de la membrana flexoelectrica aplicada a una membrana circular unida a la superficie interna de un capilar circular, y (ii) el flujo capilar acoplado de fases viscoelásticas en contacto, que se caracterizan por la ecuación constitutiva de Jeffreys con diferentes condiciones de material. Las oscilaciones flexoelectricas de la membrana impulsan flujos capilares viscoelásticos periódicos, como en las OHC. Al aplicar el formalismo de la transformada de Fourier a las ecuaciones gobernantes y asumir números de Mach pequeños, se encontraron ecuaciones analíticas para la función de transferencia, asociada a la curvatura promedio, y para la tasa de flujo volumétrico como función del campo eléctrico, y estas ecuaciones pueden expresarse como una ecuación diferencial de tercer orden que depende de las propiedades del material del sistema. Cuando se consideran los mecanismos de inercia, el espectro de potencia muestra varios picos de resonancia en la curvatura promedio de la membrana y la tasa de flujo volumétrico. Cuando se descuida la inercia, el sistema sigue un comportamiento no monótono en el espectro de potencia. Este comportamiento está asociado a las contribuciones del disolvente relacionadas con los mecanismos de retardación-Jeffreys. Se identifican las propiedades específicas de la membrana y del fluido viscoelástico que controlan el espectro de respuesta de potencia. La teoría, el modelo y los cálculos presentes contribuyen a la comprensión fundamental en evolución de la actuación de formas biológicas a través de acoplamientos electromecánicos.
Descripción
La actuación flexoelectrica de cristales líquidos utiliza un campo eléctrico impuesto para crear una deformación en la membrana, fenómeno que se encuentra en las células ciliadas externas (OHC) ubicadas en el oído interno, cuyo papel es amplificar el sonido a través de la generación de potencia mecánica. Las oscilaciones en las membranas de las OHC crean flujos viscoelásticos periódicos en los medios fluidos en contacto. Un objetivo clave de este trabajo sobre la actuación flexoelectrica relevante para las OHC es encontrar las relaciones y el impacto de las propiedades electro-mecánicas de la membrana, las propiedades reológicas de los medios viscoelásticos y la respuesta en frecuencia de la potencia mecánica generada. El modelo desarrollado y utilizado en este trabajo se basa en la integración de: (i) la ecuación de forma de la membrana flexoelectrica aplicada a una membrana circular unida a la superficie interna de un capilar circular, y (ii) el flujo capilar acoplado de fases viscoelásticas en contacto, que se caracterizan por la ecuación constitutiva de Jeffreys con diferentes condiciones de material. Las oscilaciones flexoelectricas de la membrana impulsan flujos capilares viscoelásticos periódicos, como en las OHC. Al aplicar el formalismo de la transformada de Fourier a las ecuaciones gobernantes y asumir números de Mach pequeños, se encontraron ecuaciones analíticas para la función de transferencia, asociada a la curvatura promedio, y para la tasa de flujo volumétrico como función del campo eléctrico, y estas ecuaciones pueden expresarse como una ecuación diferencial de tercer orden que depende de las propiedades del material del sistema. Cuando se consideran los mecanismos de inercia, el espectro de potencia muestra varios picos de resonancia en la curvatura promedio de la membrana y la tasa de flujo volumétrico. Cuando se descuida la inercia, el sistema sigue un comportamiento no monótono en el espectro de potencia. Este comportamiento está asociado a las contribuciones del disolvente relacionadas con los mecanismos de retardación-Jeffreys. Se identifican las propiedades específicas de la membrana y del fluido viscoelástico que controlan el espectro de respuesta de potencia. La teoría, el modelo y los cálculos presentes contribuyen a la comprensión fundamental en evolución de la actuación de formas biológicas a través de acoplamientos electromecánicos.