Imágenes que capturan el desdoblamiento de las suspensiones densas

Al agitar muchas pequeñas partículas dentro del agua, la espesa mezcla resulta altamente viscosa. Pero cuando esta densa suspensión se desliza a través de una boquilla y forma gotitas, su comportamiento momentáneamente revela un decidido lado no viscoso. Los físicos de la universidad de Chicago registraron este comportamiento sorprendente, en experimentos de laboratorio, con fotografía de alta velocidad, con la que se puede capturar la acción que acontece en cien milésimas de segundo o menos.

Los estudiantes Marc Miskin y Heinrich Jaeger, de la universidad de Chicago, y los profesores de física William J. Friedman y Alicia Townsend Friedman, esperaban que las suspensiones densas de sus experimentos se comportaran estrictamente como líquidos viscosos, que tienden a fluir con menos libertad que los no-viscosos. La viscosidad ciertamente no importaba ya que el líquido cargado de partículas comenzó a salir por la boquilla, pero no en el momento en que las delgadas gotas se rompían en dos.

Este nuevo comportamiento parece surgir de la retroalimentación entre las tendencias del líquido y lo que permiten las partículas dentro del líquido. "Mientras que el líquido se deforma y se vuelve más y más delgado en un determinado punto, las partículas también se mueven con el líquido. Están atrapadas en el interior del líquido", decía Jaeger. Si la deformación continúa, las partículas eligen otros caminos.

"El aceite o la miel, formarían un largo hilo y este hilo se va volviendo más delgado hasta romperse de una forma característica, propia de un líquido viscoso", continuó explicando Jaeger. "Las partículas de una suspensión densa conspiran para interactuar con el líquido de manera que se forma un cuello que muestra signos de una personalidad dividida: Adelgaza de manera no viscosa, como el agua, mientras que el conjunto exhibe una forma más parecida a la de sus primos viscosos."

A Miskin y Jaeger les llevó seis meses poder convencerse de que la viscosidad del líquido de la suspensión era un actor menor en sus experimentos. "La visión de que esta viscosidad no debe importar es un tanto herética", dijo Jaeger. "Quién iba a pensarlo?"

Miskin y Jaeger presentaron sus resultados el 5 de marzo y el 20 de marzo fue publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

En sus experimentos, Miskin y Jaeger compararon una variedad de líquidos puros mezclados donde las partículas ocupaban más de la mitad del volumen.

"Los resultados indican que, por lo que sabemos sobre la ruptura de la gota de los líquidos puros, no nos permitían predecir los fenómenos observados en los experimentos", explicaba Jeffrey Morris, profesor de ingeniería química en el City College de Nueva York. "El resultado más llamativo e interesante es que, a pesar de estas mezclas son muy viscosas, la viscosidad juega un papel muy pequeño en la forma en que se forma una gota."

Pocos estudios han examinado la formación de gotas en las suspensiones densas. Tal como señalaba Morris, este trabajo podría tener un gran impacto en aplicaciones como la impresión de inyección de tinta, la combustión de lechadas relacionadas con el carbón en aceite, y la deposición gota a gota de células de chips de ADN.

Desafío Científico

En estas aplicaciones, las partículas están a menudo tan densamente pobladas que su comportamiento desafía una simple descripción científica, una que sólo tuviera en cuenta el tamaño de partículas promedio y la fracción que ocupan del líquido las partículas, explicaba Morris. El estudio demostró que las partículas provocaban deformaciones y, con frecuencia, sobresalían a través del líquido, desde hacer incompleta cualquier descripción, hasta cuestiones fundamentales sobre la interfaz entre la mezcla de líquido y su entorno.

"Miskin y Jaeger ofrecen argumentos de la importancia de estas protuberancias en su trabajo, y sugieren que el tema es de mayor importancia para cualquier flujo, donde las partículas cargadas de un líquido mantiene una interfaz con otro fluido", dijo Morris.

Miskin y Jaeger han verificado sus resultados de forma sistemática, evaluando distintas viscosidades, tamaños de partículas y líquidos en suspensión, y ha desarrollado un modelo matemático para explicar cómo los cuellos de gota evolucionan con el tiempo hasta que se rompen.

La predicción inicial contraria a la intuición de este modelo era que las partículas más grandes deberían producir un comportamiento semejante al del agua pura sin ningún tipo de partículas. "Si queremos hacer que se comporte más como un líquido puro no-viscoso, necesitamos grandes partículas", comentaba Jaeger, intrigado por el almacén de sorpresas que guarda la naturaleza.

Miskin y Jaeger observaron esto, sobre todo cuando el tamaño de partícula se acercaba a una cierta fracción del diámetro de la boquilla, dejando las partículas visibles a simple vista.

"Uno cree que tiene una idea bastante buena de lo que podría pasar, pero te encuentras una sorpresa en cada esquina. Sinceramente, la búsqueda de sorpresas es lo que me gusta de este trabajo", dijo Jaeger.

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- Referencia: EurekAlert.org, 30 Marzo 2012, contacot: Steve Koppes
- Fuente: Universidad de Chicago.
- Cita: "Droplet formation and scaling in dense suspensions," by Marc Z. Miskin and HeinrichM. Jaeger, Proceedings of the National Academy of Sciences, March 20, 2012, Vol. 109, No. 12, page 4389-4394.
- Imagen: En esta imagen, iluminada desde la parte frontal, el agua separada de una boquilla, contiene partículas de dióxido de circonio que miden 850 micras de diámetro. El cuello en suspensión mantiene un perfil simétrico hasta que se estrecha gradualmente hasta la anchura de sólo una partícula, que es cuando el líquido que rodea las partículas se rompe. Crédito: Marc Miskin / Heinrich Jaeger