En una tormenta de arena los granos revolotean en un movimiento errático como si se tratara de un gas; al verter un saco de arena, esta escurre como si se tratara de un líquido; no obstante, si la observas de cerca, está formada por pequeños corpúsculos sólidos y puedes incluso caminar sobre ella. Entender el comportamiento de materiales granulares que pueden reaccionar como sólidos, líquidos o gases, según las condiciones a las que son sometidos, es una de las tareas del GrainsLab, un laboratorio que pertenece al Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas” de la BUAP.
GrainsLab fue fundado en 2014 por el doctor Felipe Pacheco Vázquez, quien pertenece al Cuerpo Académico 171 de Materiales Complejos e Inteligentes del IFUAP. Su labor se distingue no solo por el estudio de fenómenos como gases granulares, terremotos, formación de estalagmitas, explosiones subterráneas o cráteres, también por la formación de recursos humanos interesados en comprender la Física que subyace al comportamiento colectivo de los granos y de otros sistemas complejos.
En GrainsLab la ciencia no pierde rigor, más bien otorga conocimiento a través de sencillos experimentos que explican el comportamiento de materiales como el talco, ceniza, sal, azúcar, cemento, polvo, grava, montículos de arroz o granos comestibles; la arena que encontramos en dunas, playas o cubriendo la superficie de planetas y lunas, e incluso la dinámica de cinturones de asteroides. Además, se estudian sistemas de dinámica de fluidos, como la estabilidad de burbujas o espumas combinadas con granos, para lo cual han encontrado un nuevo método.
La ciencia detrás de las burbujas granulares
Con el doctor Pacheco Vázquez es fácil entender que la ciencia se encuentra en todos lados. Por ejemplo, cuando tomas una cerveza fría, es deseable una espuma abundante y duradera.
¿Sabían que la estabilidad de la espuma depende del tamaño de las burbujas que la forman? -pregunta el investigador, quien añade que esto aplica también para otras bebidas como el chocolate.
En general hay distintos procesos en la industria en los cuales se requiere que las espumas sean estables, aunque también se puede buscar lo contrario, señala el doctor Pacheco, mientras afirma que han encontrado un nuevo método para lograr esta estabilización.
-“¡Imagina una espuma que dure semanas, incluso meses!, pues eso es lo que estamos estudiando”.
Al depositar pequeños granos de arena sílica en tubos llenos de agua, se aprecia una formación de burbujas de aire cubiertas de granos que se producen cuando los granos secos entran en la superficie, deforman la interface y producen atrapamiento de aire, tal y como sucede cuando se abre una llave y se llena un vaso con agua; pero en el experimento del laboratorio se observa la formación de burbujas cubiertas de materia granular.
Estas burbujas son de aire, detalla el investigador, solo que tienen en su superficie pequeños granos y eso evita que las burbujas entren en coalescencia con la interfaz; es decir, no permiten que desaparezcan y eso es precisamente lo que logra que sean muy estables.
«A esas burbujas cubiertas de granos las llamamos burbujas granulares y pueden tener muchas aplicaciones a nivel industrial. Nosotros lo que encontramos fue el tamaño crítico de granos que permite que las burbujas sean estables. Estos resultados de las estudiantes de doctorado Andrea Cervantes y Yésica Escobar serán enviados a publicación y se planea patentar este proceso de estabilización”.
Ecuaciones para predecir avalanchas, descargar silos y llenar contenedores
En la práctica, el estudio de materiales granulares representa un medio para dar solución a distintos problemas, por ejemplo en los silos ─lugares donde se almacenan granos─, ahí existe el riesgo de que el material colapse y provoque la explosión del silo. Para prevenir estos accidentes que se originan por avalanchas de material, es necesario conocer qué tan compacta se encuentra la pila de granos mientras se descarga el silo.
Por eso la necesidad de estudiar la mecánica del material granular en condiciones de almacenamiento, lo que conlleva a medir el “ángulo de avalancha”. La aportación de GrainsLab, en este caso, radica en el desarrollo de un experimento mediante el uso de una línea láser, que permite obtener el perfil de la superficie durante la descarga de un silo. De este perfil se obtienen distintos ángulos de avalancha y se aplica un modelo matemático que facilita determinar con precisión qué tan compacto se encuentra la materia acumulada. Es decir, qué tan pegados están los granos, lo que permitirá predecir deslaves o avalanchas del material.
En el caso contrario, cuando la materia granular se atasca, lo que sucede es que los granos redirigen el peso a través de cadenas de fuerza hacia las paredes, formando arcos. Para deshacer estos arcos, en el laboratorio se usa vibración, para fluidizar el medio granular, es decir, aplicar movimiento para que los granos se comporten como un fluido o líquido, lo que permite que no se atasque y caiga sin problema.
El investigador y sus estudiantes usan estos principios para resolver problemas en aplicaciones industriales. Por ejemplo, realizan un proyecto que permite llenar tubos muy estrechos, lo que típicamente tomaba varios minutos y ahora lo pueden efectuar en segundos.
El efecto Leidenfrost
Otra línea de investigación es la dinámica de fluidos. Uno de los experimentos que desarrollan tiene que ver con levitación. Para entenderlo, recordemos qué sucede cuando caen gotas de agua sobre un sartén muy caliente: casi de inmediato las gotas bailan sobre la superficie, de hecho flotan sobre su propio vapor. A este fenómeno se le conoce como “efecto Leidenfrost”.
¿Pero por qué no hierve el agua si la superficie está muy caliente? El doctor Pacheco explica que la superficie en donde se deposita la gota está tan caliente que cuando el líquido la toca se genera rápidamente vapor sobre el cual la gota se suspende; es decir, la gota proporciona una capa de su propio vapor que evita el contacto con el disco caliente y la evaporación súbita del líquido.
En su laboratorio, el doctor Pacheco Vázquez, junto con dos estudiantes franceses que realizan una estancia, estudian la ciencia que está detrás de la coalescencia de gotas en estado leidenfrost. Para esto, se coloca una gota de agua y otra de etanol sobre una superficie a 300° centígrados. Lo que se observa es que la gota de etanol rebota varias veces sobre la gota de agua, sin coalescer, cuando de hecho los dos líquidos son altamente miscibles. De este experimento es posible determinar de manera precisa la tensión superficial de los líquidos de una manera muy sencilla.
Otra ventaja de este fenómeno es la ausencia de fricción. Por ello, el efecto leidenfrost podría usarse en dispositivos microfluídicos de vídrio templado para manipular gotas a través de microcanales de manera muy eficiente. Generalmente, explica el académico, se transportan fluidos a través de microcanales, pero estos van perdiendo energía por la fricción que generan. La idea es que en microfluídica se pueden calentar dispositivos muy pequeños como microcanales, en los cuales se podrían inyectar gotas y transportarlas sin fricción.
Explica otro resultado: «Por décadas se estudiaron gotas leidenfrost de unos cuantos milímetros de diámetro, nosotros demostramos que si la superficie caliente en donde se deposita el líquido no es plana sino cónica, dependiendo del ángulo de inclinación, se puede alargar el tiempo de vida de esa gota, además de la cantidad de líquido, levitando incluso un litro de agua en estado leidenfrost”.
El investigador refiere que este método también puede utilizarse a la inversa, es decir, calentar la superficie y recargarla sobre el líquido, ya que el efecto de mantenerse suspendido será el mismo. “El líquido está tan caliente que genera un vapor que soportará el peso del plato”. Esto es una especie de levitador leidenfrost.
