Marcelo Guzmán, tesista del centro, rindió ayer el examen con el obtuvo el grado de Magíster en Ciencias con Mención en Física.
En el colegio la Física nunca estuvo en su foco de atención. Sus opciones siempre fueron matemáticas, biología e incluso ramos humanistas. “Fue en el plan común de Ingeniería de la Universidad de Chile que la Física se volvió importante para mí”, cuenta Marcelo Guzmán.
Por eso, cuando tuvo que escoger por una carrera -esta vez- no dudó. Hoy, con 24 años, no sólo es Licenciado en Física en esta casa de estudios. También es coautor de tres publicaciones científicas en esta área, desde 2013 ha sido profesor asistente de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile y ha participado en cuatro pasantías y en siete congresos, tanto en Chile como en el extranjero.
No es todo. Este lunes 26 de marzo, sumó otro hito a su naciente, pero nutrida carrera: obtuvo el grado de Magíster en Ciencias, con mención en Física, convirtiéndose de esta forma en el primer graduado del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, con su tesis: “Non-ideal rheology and spatial structures of bacterial suspensions in the semi-dilute regime» (Reología no ideal y estructuras espaciales de suspensiones bacterianas en régimen semi-diluido).
Materia Activa y futuro
Marcelo Guzmán dice que decidió enfocarse en materia activa, ya que combina la física con la biología. “La física ha alcanzado una maduración tal que ha empezado a expandirse a otras áreas, como la biofísica. En particular, los sistemas vivos se caracterizan por ser muy complejos, entonces la capacidad del físico de simplificar estos problemas es muy conveniente”, dice.
Por eso hizo su tesis de magíster en esta área, teniendo como profesor guía al director del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, Rodrigo Soto.
En su tesis, presenta un estudio de la reología y de las estructuras espaciales que surgen en suspensiones de bacterias en el régimen semi-diluido. “La tesis de Marcelo se inserta plenamente en la temática del Núcleo. Ésta consiste en explicar cómo una suspensión de bacterias responde cuando el fluido en que nadan es movido externamente. Por un lado, él encontró que la viscosidad efectiva de la suspensión oscila en el tiempo, pudiendo tomar valores negativos. Por otro lado, mostró que las bacterias forman bandas muy densas debido a las interacciones entre ellas. Estos resultados son muy interesantes, pues muestran que en unas regiones de parámetros no exploradas aún en experimentos (cajas grandes y grandes tiempos) aparecen fenómenos novedosos. Esperamos que esto motive la realización de nuevos experimentos. Marcelo es el primer graduado del Núcleo, con una excelente tesis, (obtuvo un siete en su examen), lo que nos pone muy contentos”, dice su profesor guía y director del Núcleo Milenio.
Para Marcelo Guzmán, la obtención del grado de Magíster representa el cierre de “una
etapa de maduración científica, en la que “ya siento que tengo las bases para desenvolverme como investigador”, afirma.
De hecho, ya tiene programado qué hará en los próximos meses: viajará a la Universidad de Mainz, en Alemania, donde fue invitado como investigador visitante durante tres meses. “Después de eso me tomaré dos meses de descanso antes de empezar el doctorado, el que puede ser en Inglaterra o Francia. Aún tengo que decidir que oferta tomaré”, asegura.
RESUMEN DE LA TESIS
En esta tesis se presenta un estudio de la reología y de las estructuras espaciales que surgen en suspensiones de bacterias en el régimen semi-diluido.
Debido al tamaño microscópico de las bacterias, su densidad y velocidad de propulsión, estas viven en un ambiente caracterizado por un bajo número de Reynolds, por lo que la fuerza y torque total sobre ellas son nulos. Por lo tanto, a primer orden, las perturbaciones en el campo de velocidades producidas por estos nadadores corresponde a un dipolo de fuerzas. Además, el dipolo de fuerzas ejerce un cizalle en el fluido, el que puede traducirse en una viscosidad activa cuando se impone un flujo externo. Esta contribución a la viscosidad del fluido puede llegar a ser tal que la viscosidad total es nula o incluso negativa, como se ha encontrado experimentalmente.
Los nadadores presentan interacciones de corto y largo alcance. En el régimen semi-diluido, las concentraciones siguen siendo bajas, pero suficientemente altas para que las interacciones de corto alcance sean relevantes sin que las de largo alcance jueguen un rol fundamental. Estas interacciones se traducen principalmente en un alineamiento entre bacterias cercanas debido a efectos estéricos e hidrodinámicos.
En esta tesis se extiende la teoría cinética de suspensiones bacterianas en el régimen diluido, planteando un enfoque tipo Boltzmann en el que las interacciones de corto alcance son consideradas a través de una integral colisional en la ecuación cinética. Presentamos dos tipos de interacciones: alineamiento polar y nemático. A partir de la ecuación cinética, podemos obtener las ecuaciones hidrodinámicas de la densidad, la orientación promedio y el tensor nemático cuando existe un flujo impuesto. En particular, en esta tesis se estudia el caso de un flujo de corte uniforme.
Para sistema homogéneos se encontró que por sobre cierta concentración crítica, existe una transición hacia una fase polar o nemática, según el tipo de interacción. Ambas fases dan origen a una viscosidad oscilante en el tiempo, en torno a un valor cercano al obtenido en el régimen diluido. A través de un análisis de separación de escalas, cercano a la concentración crítica, se obtienen expresiones analíticas para la orientación promedio y el cizalle producido por una suspensión. Estos resultados son corroborados además por soluciones numéricas, encontrando además que para grandes tasas de corte la fase ordenada se pierde. En particular, para colisiones nemáticas, esta fase se pierde de manera subcrítica.
Finalmente se estudió la dependencia espacial de la suspensión bacteriana. Empleamos diversas condiciones de borde, concluyendo que la única que logra reproducir una suspensión homogénea es la de colisiones anti-especulares. A través de simulaciones tipo DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) se resolvió la ecuación cinética con dependencia espacial y condiciones de borde rígidas, encontrando localizaciones espaciales en la concentración de bacterias. El mismo fenómeno se encuentra al emplear condiciones de borde periódicas, por lo que se analizó la estabilidad lineal de la solución homogénea al ser perturbada con ondas planas. Los resultados indican que la inestabilidad ocurre para grandes longitudes de onda, por lo que es posible medirla a través del tama\~no del sistema. Además, al incluir interacciones de largo alcance al análisis de estabilidad, se obtienen que estas sólo modifican cuantitativamente los resultados. Finalmente, este mismo fenómeno se encontró en tres dimensiones.