Después del agua en estado líquido, la materia granular es lo que más manipula el ser humano. Las dunas del desierto, los largos litorales de las costas, el fondo del mar, los cráteres de la Luna, la superficie de Marte y gran parte de los asteroides están constituidos de arena; el café, la sal, el azúcar, el maíz, el trigo, el cemento y la grava, los detergentes, todos ellos son un conglomerado de granos con variadas aplicaciones en la vida cotidiana. Es decir, todos ellos están conformados por la materia granular.

Comprender la dinámica de esta materia es fundamental para el desarrollo tecnológico. Desde la Física experimental, el doctor Felipe Pacheco Vázquez, investigador del Instituto de Física Luis Rivera Terrazas de la BUAP, estudia la materia granular.

Recién galardonado por la Academia Mexicana de Ciencias con el Premio de Investigación 2021 para Jóvenes Investigadores, integrante del Cuerpo Académico Materiales Complejos e Inteligentes, nivel II del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y ganador de los premios Weizmann y Rosenblueth por mejor tesis de doctorado, el doctor Pacheco ha desarrollado diversos trabajos experimentales en esa materia; sus resultados han sido publicados en revistas especializadas y para acercarnos a la importancia de esta materia, aquí abordamos algunos.

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Estabilización de burbujas o cómo mantener fría una chela

En 2020, The Journal of Colloid and Interface Science, una revista de alto impacto, publicó una investigación novedosa: Air entrainment and granular bubles generated by a jet of grains entering water, a cargo del investigador Felipe Pacheco y sus estudiantes Andrea Margarita Cervantes Álvarez y Yesica Jazmín Escobar Ortega.

Originalmente este era un proyecto sobre el atrapamiento de aire, un hecho que ocurre en muchos fenómenos —por ejemplo, un tsunami puede ser provocado por el crecimiento de olas al registrarse un colapso subterráneo del mar debido a la entrada de granos— pero del cual derivó otra observación: la estabilización de burbujas granulares.

Cuando viertes un puño de granos en agua las partículas entran arrastrando aire hacia el interior del líquido, por lo que se generan burbujas granulares muy estables: en las interfaces aire, agua y granos, estos elementos cubren la burbuja y se pegan en la superficie. La estabilización de estas burbujas se ha hecho con materiales distintos y resulta de gran interés para la industria, ya que este mecanismo simple podría servir para encapsular y retirar un contaminante en un medio líquido, entre otras aplicaciones.

Foto: Boletines BUAP

El académico y su equipo de trabajo se percataron de que este —jet o chorro de granos— generaba una serpentina de aire y burbujas muy estables; así fue como del planteamiento original de la investigación, se pasó a observar la estabilización de burbujas y el encapsulado de gas.

Los resultados de este experimento de ciencia básica fueron publicados en 2020, llenando de interés a los científicos por sus posibles aplicaciones, incluso dentro de la industria de alimentos:

“Las cervezas belgas son famosas por sus espumas densas que duran mucho. Mientras que las mexicanas no tienen esta propiedad que permite mantener la temperatura”; en este caso, se trata de mantener una cerveza bien fría por más tiempo.

Con la observación del equipo esto último sería posible:  “Se trata de estabilizar la espuma con granos más pequeños, de 100 micas (la sal de cocina es de 300 micas, el talco de 20 micas), para lograr mantener por más tiempo la espuma, la cual funciona como un aislamiento térmico para mantenerla fría por más tiempo”.

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El Efecto Leidenfrost

Seguramente cualquier persona ha observado cómo se evaporan gotas de agua al caer sobre un sartén o plancha muy caliente (a una temperatura de 120 grados), pero si elevamos la temperatura a 250 grados, uno pensaría que estas se evaporarían más rápidamente. Sin embargo, no es así: las gotas flotan sobre su propio vapor. Este fenómeno es el llamado Efecto Leidenfrost, el cual pasó como una simple curiosidad en 1756, cuando fue observado.

Pasaron casi dos siglos y medio para retomar el estudio sistemático de este fenómeno. En el 2003, científicos de Francia estudiaron cómo esa gota de agua dependía de su tamaño o espesor para tomar formas distintas.

Foto: Boletines BUAP

El doctor Pacheco empezó sus trabajos experimentales sobre el Efecto Leidenfrost en 2016, cuando demostró que se pueden estabilizar cantidades muy grandes de líquido en estado Leidenfrost dependiendo de la forma de la superficie caliente. En el 2020 comenzó a estudiar la coalescencia de gotas Leidenfrost, fenómeno que ocurre cuando gotas pequeñas se unen o fusionan, como pasa con las nubes, en donde las gotas se unen y caen por efecto de la gravedad.

“Nosotros descubrimos que gotas de líquidos miscibles no coalescen en estado Leidenfrost. Por tanto, las puedes transportar en una superficie simultáneamente, propulsadas por su propio vapor. Esto ha despertado el interés por su probable aplicación en ingeniería y microfuídica”, comentó el investigador.

Los baleros que se utilizan en los autos, por ejemplo, necesitan lubricantes. Este estudio permite pensar en el desarrollo de un posible balero líquido que, al momento de calentar la superficie por fricción, su líquido entre en estado Leidenfrost y elimine la fricción con la superficie.

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“Un milagro de la ingeniería aún no encaja con la madre naturaleza”

“Nuestro conocimiento de la compresión de la materia granular no es suficiente. Estudiar cómo crece la fuerza y describir esa dinámica nos permitirá una mayor eficiencia de esas obras”, afirma el investigador.

Foto: Boletines BUAP

En 2019, Felipe Pacheco Vázquez realizó una estancia de investigación en la Universidad de Nagoya, en Japón, donde estudió con sus colegas nipones el fenómeno de compresión de medios granulares; es decir, cómo crece la fuerza que opone un medio granular al ser comprimido, pero ¿qué lo motivó?

El aeropuerto de Kansai, asentado sobre una isla artificial, atrajo el interés mundial debido a hundimientos por arriba de lo previsto.  Un milagro de la ingeniería aún no encaja con la madre naturaleza, rezaba un titular de la prensa en 2015.  Este fenómeno demostró cómo un terreno granular compacto tapizado con cemento se comprimió en 5 años, a pesar de que esto se esperaba ocurriera en 20 años. Este aeropuerto se está hundiendo, como ocurre con otras obras, aludiendo a la Catedral en México.

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Atendiendo esto, Pacheco nos habla de cómo uno de sus más recientes proyectos es el desarrollo de amortiguadores granulares.

La mayoría de la gente ha observado esas salidas de emergencia que se encuentran en las carreteras, cuya superficie está llena de arena. Se trata de amortiguadores granulares, ya que la materia granular (en este caso, arena o grava) es muy disipativa: si un auto impacta el medio granular se detiene, ya que todos los granos se mueven entre sí y disipan la energía rápidamente. “Si tienes vibración puedes disipar la energía utilizando un amortiguador granular”.

Así, algo tan ordinario a la vista, como la materia granular, es su objeto de estudio. La vida cotidiana está en manos de la ciencia, y más allá de este mundo, Pacheco nos hace pensar que Marte está cubierto de arena. Comprender la dinámica de la materia granular nos podría permitir explorar más allá.

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*Imagenes: Boletines BUAP