Primera reunión de cavitación México-California




Ciencias físicas

Lo que sucede con el estudio de la cavitación es casi un contrasentido. Esquemáticamente, se puede definir como un proceso que comprende la ruptura de un líquido, lo cual da paso a la formación de burbujas de gas (cavidades) que crecen y posteriormente colapsan a una velocidad mayor que la del sonido, emitiendo ondas de choque o de presión con un frente de onda abrupto.

Históricamente, la cavitación despertó interés desde hace un buen número de años (en la industria naval, principalmente, debido a la erosión que ocurría en las propelas), pero su estudio y sobre todo el desarrollo de aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, en microfabricación o bien en el ámbito médico, comenzó a nivel mundial apenas hace unas décadas.

De ahí la validez de ciertas preguntas: ¿cuánta gente en México se dedica a estudiar el fenómeno de cavitación? ¿En dónde están, qué hacen y cómo pueden vincular su trabajo con el de otros?

Bajo estas premisas, se organizó a finales de octubre la primera reunión académica binacional en este tema que permitió, como principal logro, identificar quiénes conforman la comunidad de cavitación en México y en la región de California, conocer sus temas de investigación y comenzar a proponer el desarrollo de aplicaciones que impacten no solamente en la parte científica y tecnológica, sino que trasciendan en beneficios para la sociedad.

Uno de los promotores de esta primera reunión en cavitación fue el Dr. Santiago Camacho López, actual jefe del Departamento de Óptica del CICESE, quien tiene más de 10 años colaborando con un especialista en ingeniería mecánica de la Universidad de California en Riverside (UCR), el Dr. Guillermo Aguilar.

“Uno de los temas principales de nuestra colaboración ha sido la cavitación (en este caso, inducida por láser). Pero desconocíamos quiénes más en México y en la región de California trabajan en el mismo tema. Hace 3 o 4 años comenzamos a madurar la idea de organizar un simposium internacional de cavitación precisamente con el propósito de identificar qué tan grande es esta comunidad de cavitólogos”, indicó.

Ambos investigadores suponían que debía existir una comunidad relativamente grande que de alguna manera se está desaprovechando. “Seguramente hay más gente que hace cavitación en México, y lo hace de manera aislada. Pensamos: Si logramos conjuntar esta comunidad, si logramos identificar fortalezas tanto en la parte de investigación básica como en la aplicada, y si además conectamos las dos comunidades en Estados Unidos y México, seguramente podremos incidir en las áreas médica y biológica para proponer aplicaciones que las favorezcan directamente. Seguramente tendríamos un impacto no solamente científico y tecnológico, sino económico en un momento dado, que sea de beneficio no sólo para el sector académico, sino también para la sociedad”.

Con el propósito de organizar la reunión, los doctores Camacho López y Aguilar comenzaron a buscar apoyos en el CONACYT y en la National Science Foundation (NSF), entidades que patrocinan su proyecto conjunto “Ventanas al cerebro” (ver nota aquí), en el que además del CICESE y la UCR participan investigadores mexicanos de la UNAM y el INAOE.

La Universidad de California (UC), por su parte, tiene una oficina de representación en la Ciudad de México donde frecuentemente organiza reuniones académicas y de promoción. Además, habían identificado que la mayoría de quienes trabajan en cavitación en la parte mexicana radican en el centro del país, por lo que la selección de esta casa de la UC reduciría incluso los costos de la logística.

Al final, Guillermo Aguilar consiguió recursos de la NFS, de la propia UC y del programa de la Universidad de California para México y Estados Unidos (UC Mexus), mientras que la contraparte mexicana los consiguió de la UNAM.

“Al final pudimos reunir a 45 personas, entre investigadores y estudiantes. Invitamos a dos investigadores de la Universidad de California de mucho prestigio en el área de cavitación: Vasan Vegunopalan (professor and chair, UCI, Chemical Engineering and Materials Science) y Gary Williams (distinguished professor, UCLA, Department of Physics and Astronomy). Ellos fueron nuestros investigadores invitados y ofrecieron pláticas plenarias de mucha relevancia en el tema. Los recursos otorgados por UC Mexus, UCR, NSF y la UNAM alcanzaron para cubrir los gastos de los asistentes en su totalidad”, informó el Dr. Santiago Camacho López.

La reunión se organizó el 24 y 25 de octubre, y la calificó de “bastante exitosa. La mayoría de las personas que participamos no nos conocíamos; ahora ya tenemos muy bien identificado quiénes conforman la comunidad de cavitación en México y en la región de California. Tuvimos además una participación bastante entusiasta de estudiantes. Se alcanzó tal éxito que ya se está pensando en organizar un segundo simposium en dos años más (la periodicidad se acordó así: cada dos años)”.

Por perfil, además de físicos y ópticos, participaron en esta reunión matemáticos, especialistas en materiales y en fluidos. Las instituciones representadas fueron la UNAM (Ciudad de México y Querétaro), el CICESE, el INAOE, el Instituto Politécnico Nacional, el CINVESTAV campus Querétaro, así como  la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y la Universidad Veracruzana, la University of California Riverside, University of California Irvine, y University of California Los Angeles.

La mayoría, explicó Santiago Camacho, trabajan en aplicaciones. “Aplicaciones de bastante actualidad y sumamente interesantes en el ámbito médico y biológico, lo cual es importante para la investigación de hoy en día”.

¿Qué es la cavitación? - Estudios en el CICESE

Entendamos primero que el fenómeno de cavitación tiene que ver con un cambio de fase: pasar un líquido a gas (o a vapor) o incluso un sólido a vapor, de varias maneras posibles. Una posibilidad es a través de un incrementando de temperatura: a nivel de mar (una presión atmosférica), el agua comenzará a hervir al llegar a 100 grados centígrados; es decir, se comenzarán a formar burbujas, pasando así de líquido a vapor, aunque a esto no se le considera como cavitación pues el cambio de fase es muy lento y ocurre de manera gradual. Otra manera de generar burbujas, en este caso de cavitación, es bajando la presión abruptamente en un líquido mientras se mantiene la temperatura constante; esto hace que se forme también de manera abrupta una cavidad (una burbuja) en un punto muy bien localizado. Esta burbuja va a crecer hasta un cierto tamaño, entonces se equilibrarán las presiones interna y externa y de ahí va a colapsar muy rápidamente, emitiendo una onda de choque.

Justo así es como históricamente llamó la atención este fenómeno, en la industria naval, al observarse un inusual desgaste en las propelas. Resulta que las hélices de los barcos, al girar, además de generar una corriente que impulsa las naves, localmente, muy cerca de la superficie de cada aspa, la presión baja abruptamente. Esto genera pequeñas burbujas que, al colapsar, emiten ondas de presión muy fuertes, de miles de atmósferas, lo que provoca erosión y desgaste en las propelas. Este es un tipo de cavitación hidrodinámica, producida por la variación de velocidad del flujo del líquido debido a la geometría del sistema.

Hoy se sabe que la cavitación se puede generar también con ultrasonido (cavitación acústica), con láseres (cavitación óptica, producida por pulsos de luz o haces continuos de luz de alta intensidad que atraviesan un líquido) y con partículas elementales (un protón, por ejemplo). Lo que se necesita es un mecanismo físico que localmente, en el fluido, baje la presión abruptamente.

El Dr. Santiago Camacho López inició hace algunos años una colaboración entre el Departamento de Óptica del CICESE y la Clínica de Ojos de Tijuana. Actualmente, para diagnosticar glaucoma, se han enfocado en el desarrollo de un dispositivo (equivalente a un tonómetro) que permite medir la presión intraocular basado en el fenómeno de cavitación inducida por láseres de pulsos ultracortos.

En la mayoría de los tipos de glaucoma, el sistema de drenaje del ojo se tapa y el fluido intraocular no puede drenar. Al acumularse, causa un aumento de presión en el interior del ojo que daña al nervio óptico que es muy sensible, llevando a la pérdida de la visión. De ahí la importancia de conocer con precisión las variaciones en la presión intraocular.

El Dr. Luis Devia Cruz, y los maestros en ciencias Leopoldo Martínez Manuel y este año Carlos Andrés Zúñiga Romero, egresados del posgrado en Óptica del CICESE, han participado en el desarrollo de este novedoso sensor. Él Dr. Devia Cruz ha explicado que la presión intraocular se mide desde hace 100 años en la misma forma que cuando un futbolista quiere determinar la presión de su balón, es decir, se aplica una fuerza sobre la superficie y se analiza si ésta se aplana bajo esta fuerza. Como la fuerza que se requiere para deformar (aplanar) la superficie de la cornea en el ojo es proporcional a la presión intraocular, puedes presionar directamente el ojo y hacer las mediciones. Este es el método de tonometría de contacto: es el más usado, pero genera incomodidad y muchas variables difíciles de controlar debido a los movimientos del mismo paciente.

En contraste, utilizando cavitación láser se puede generar una burbuja en la cámara anterior, en el humor acuoso, que alcanza un tamaño máximo de aproximadamente medio milímetro y que se colapsa en cien millonésimas de segundo. “Si somos capaces de medir el tamaño de esta burbuja y el tiempo de colapso, se podrá determinar la presión del líquido donde generamos la burbuja (el humor acuoso, que es el líquido contenido en el interior del ojo), es decir, podremos determinar la presión intraocular”, explicó.

El Dr. Camacho López informó que en esta técnica se utilizan dos láseres: uno (de emisión continua) monitorea la dinámica de la burbuja de cavitación, mientras que la burbuja se genera con un láser de pulsos. Los pulsos son tan cortos (mil millonésimas de segundo) y la duración o tiempo de vida de las burbujas es tan corto (millonésimas de segundo) que los movimientos del paciente no afectan la medición.

Informó que la implementación de los experimentos han pasado de realizarse de un ojo artificial a un ojo de cerdo ex vivo, es decir, en ambiente artificial fuera del organismo. El siguiente paso sería implementar los experimentos en animales pequeños.

 

Palabras clave: cavitación, presión intraocular, Santiago Camacho, Guillermo Aguilar

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