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Universidad de Cornell
El oobleck, llamado así por una sustancia pegajosa que caía del cielo en un cuento del Dr. Seuss y omnipresente en las ferias de ciencias de las escuelas primarias, no es más que una solución espesa de almidón de maíz en agua. Pero no es tan sencillo como parece.
Es un fluido «no newtoniano» que no responde a las fuerzas externas como cabría esperar. Cuanto más fuerte lo agites, más espeso se vuelve y más se resiste a tu agitación. Si lo golpeas lo suficientemente fuerte, por ejemplo con un martillo, se endurece instantáneamente lo suficiente como para romperse.
YouTube está lleno de vídeos de gente corriendo por piscinas llenas de esta sustancia viscosa. La presión de un pie que golpea la superficie hace que el líquido se espese lo suficiente como para sostener al corredor.
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Ahora los físicos son capaces de explicar cómo funciona.
El fenómeno que permite al oobleck hacer lo que hace se llama «espesamiento por cizallamiento», un proceso que ocurre en materiales formados por partículas sólidas microscópicas suspendidas en un fluido. Algunos ejemplos son el lodo de perforación utilizado en los pozos de petróleo y el fluido empleado para acoplar las transmisiones de los automóviles a las ruedas.
Un tipo de chaleco antibalas utiliza una solución de partículas de polímero impregnadas en una fibra porosa; normalmente es flexible, pero el impacto de una bala la convierte en sólida. El espesamiento por cizallamiento es un reto en muchos procesos industriales en los que el objetivo es conseguir que los fluidos fluyan sin problemas.
Décadas de debate
Incluso en el sistema más simple de partículas suspendidas en un líquido, sin embargo, sigue habiendo un debate sobre el mecanismo de espesamiento. Una de las teorías propuestas es que la fricción entre las partículas sólidas las encierra en configuraciones que resisten el flujo; la otra es que, a medida que las partículas se acercan, la resistencia del drenaje del líquido entre ellas ralentiza su movimiento y encierra las partículas en racimos.
El debate se ha prolongado durante décadas porque no hay forma de observar directamente lo que ocurre en la nanoescala.
Así que Itai Cohen, profesor asociado de física en la Universidad de Cornell, ideó un experimento en el que el comportamiento en el mundo cotidiano revela lo que ocurre en el fondo. Los hallazgos se publican en Physical Review Letters.
Lo que realmente ocurre
Si lo que frena el movimiento es el fluido que se expulsa de entre las partículas, razonaron los investigadores, entonces cuando se invierta la fuerza de cizallamiento, se generará la misma resistencia, ya que el fluido tiene que volver a fluir hacia dentro.
Si sólo se trata de partículas sólidas que chocan entre sí, en cuanto se libere la fuerza de cizallamiento desaparecerá la tensión de contacto entre ellas. La respuesta inmediata a un cambio repentino en la fuerza de cizallamiento responderá a la pregunta.
Para observar ese efecto emplearon la «inversión del cizallamiento», utilizando un aparato que inserta una sonda en un fluido de prueba y lo cizalla el tiempo suficiente para causar un espesamiento, y luego invierte rápidamente para tirar en la dirección opuesta.
Sensores delicados en el eje miden la resistencia instantánea del fluido a ser empujado o tirado. Utilizaron una suspensión de «grado de laboratorio» de micropartículas esféricas para aislar los efectos de las interacciones de las partículas.
El experimento mostró que había una resistencia insignificante al tirar hacia atrás. Esto significa que, si bien el líquido fluye hacia fuera cuando las partículas se juntan y hacia atrás cuando se separan, la fuerza resultante no da cuenta de la resistencia de espesamiento real. Predomina la fuerza de contacto, por lo que la fricción entre las partículas es el principal mecanismo de espesamiento por cizallamiento.
«Conociendo el mecanismo subyacente, podemos diseñar procesos industriales para manejar mejor estos fluidos y podemos ‘afinar’ las propiedades de un fluido ajustando la fricción de las micropartículas», dice el estudiante de posgrado Neil Lin, primer autor del trabajo. Otra forma de afinar el efecto es variando la concentración de las nanopartículas, así que «ahora tenemos dos mandos que girar».
Investigadores de la Universidad de Edimburgo son coautores del estudio. La Fundación Nacional de la Ciencia apoyó el trabajo.