1.1: ¿Qué es un Fluido?
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¿Qué es un fluido? Casi todo lo que discutiremos es materia blanda bajo condiciones fisiológicas de temperatura: líquidos y soluciones, citoplasma y citosol, ADN y proteínas en solución, membranas, micelas, coloides, geles... Todos estos materiales pueden considerarse en algún aspecto un fluido. Entonces, ¿qué es un fluido?
- Sustancia que fluye, se deforma y cambia de forma cuando está sujeta a una fuerza o estrés.
- No tiene forma fija, sino que adapta su superficie a la forma de su contenedor. Los gases también son fluidos, pero nos centraremos en fluidos que en su mayoría son incompresibles.
Para los físicos, los fluidos se asocian comúnmente con el flujo, una propiedad de no equilibrio, y cómo la materia responde a las fuerzas (es decir, “fluidos newtonianos”). Este tema —"reología"—se discutirá con más detalle más adelante. Desde esta perspectiva, toda la materia condensada blanda puede considerarse un fluido. Para los químicos, los fluidos suelen aparecer como líquidos y soluciones. Los químicos suelen utilizar una descripción molecular para el soluto, pero menos para el disolvente. Sin embargo, los químicos tienen una clara apreciación de cómo los líquidos influyen en el comportamiento químico y la reactividad, un tema comúnmente llamado “solvatación”. La perspectiva más común de los fluidos es como medios dieléctricos continuos, sin embargo los fluidos pueden ser mezclas heterogéneas multicomponentes. Para nuestros propósitos biofísicos, utilizamos las perspectivas anteriores, con un interés particular en el fluido exclusivamente biológico: el agua. Dado que estamos particularmente interesados en los fenómenos a escala molecular, agregaremos algunos criterios adicionales:
- Composición: Los fluidos son medios densos compuestos por materia particulada (átomos, moléculas, proteínas...) que pueden interactuar entre sí. Dado que no hay dos partículas que puedan ocupar el mismo volumen, cada partícula en un fluido tiene “volumen excluido” que no está disponible para las partículas restantes en el sistema.
- “Estructura”: Los fluidos se estructuran localmente en la escala de distancia del tamaño de partícula por su empaquetamiento e interacciones cohesivas, pero están macroscópicamente desordenados.
- Las distancias de rango medio o mesoescala implican interacciones entre múltiples partículas, lo que lleva a movimientos correlacionados de los constituyentes.
- “Flujo” es una manifestación de estos movimientos estructurales correlacionados en la estructura mesoescalar.
- Lo más importante: Las fuerzas cohesivas (interacciones intermoleculares) entre los constituyentes de un fluido, y las barreras energéticas para cambiar la estructura, están en el orden de\(k_B T\) (“energía térmica”). Las fuerzas térmicas son suficientes para causar flujo espontáneo a nivel microscópico incluso en equilibrio.
Los fluidos pueden aparecer invariables en el tiempo en el equilibrio, pero son microscópicamente dinámicos. En muchos casos, la “estructura” (el posicionamiento de los constituyentes en el espacio) y la “dinámica” (cambios de posición dependientes del tiempo) están íntimamente acopladas.