La caracterización de la estructura porosa de los hidrogeles es fundamental para comprender sus propiedades de transporte. Sin embargo, obtener una representación cuantitativa de esta microestructura puede resultar especialmente complejo cuando se trabaja con materiales blandos y completamente hidratados.

Investigadores de la Brno University of Technology, Zhurauliova y sus colaboradores, combinan microscopía de fuerza atómica (AFM) y COMSOL Multiphysics^® para desarrollar un procedimiento de caracterización de la superficie de un hidrogel de agarosa. Sus resultados han sido publicados recientemente en la revisa “Materials Today” de Elsevier [1].

El procedimiento parte de una imagen de topografía obtenida mediante AFM sobre el hidrogel en estado completamente hidratado. La información experimental se incorpora posteriormente a COMSOL Multiphysics^® mediante el add-on Image to Curve, que permite transformar los contornos identificados en la imagen en una geometría computacional, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Procedimiento para el procesamiento de imágenes de AFM de hidrogeles con el fin de calcular la fracción de área de poros y la permeabilidad aparente: a) Imagen de AFM original de la estructura del hidrogel, de 9×9 μm; b) Segmentación de los poros con los bordes marcados (líneas verdes) mediante el complemento Image to Curve en COMSOL Multiphysics®.

La Figura 2 muestra las condiciones de contorno aplicadas en el modelo de COMSOL Multiphysics^®.

Figura 2. condiciones de contorno aplicadas en el modelo de COMSOL Multiphysics®.

A partir de esta geometría bidimensional se utiliza la interfaz física Creeping Flow, basada en las ecuaciones de Stokes, para analizar el transporte a través de las regiones identificadas como poros. Los resultados del campo de velocidades y del gradiente de presión permiten calcular, mediante la ley de Darcy, un descriptor de permeabilidad aparente.

La fracción de área de poros obtenida mediante COMSOL Multiphysics^® fue aproximadamente 0,75, frente a 0,81 obtenida mediante ImageJ a partir de la misma imagen AFM. Además, se obtuvo una permeabilidad aparente del orden de 3 × 10⁻¹⁵ m².

Uno de los aspectos más interesantes del trabajo es precisamente la conexión entre caracterización experimental y modelización numérica: en lugar de construir una geometría idealizada del material, la simulación parte directamente de una microestructura obtenida experimentalmente.

El trabajo constituye así un ejemplo de cómo COMSOL Multiphysics® puede utilizarse para incorporar datos experimentales directamente en un modelo numérico, facilitando el análisis cuantitativo de microestructuras complejas.

Referencia

[1] D. Zhurauliova, M. Pekař, J. Smilek, Evaluation of AFM-derived Pore Area Fraction and Apparent Permeability Using COMSOL Multiphysics, Materials Today Communications, 2026. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2026.116253