La belleza de las gotas danzantes

Dibujo20150312 Long-range and short-range interactions in two-component droplets - stanford - nature com

La física de fluidos es una de las ramas más bellas de la ciencia. Cosas cotidianas como el movimiento de las gotas de agua sobre una superficie plana pueden tenerte entretenido durante horas. Sobre todo si están compuestas de dos líquidos miscibles bien elegidos y tienen colores llamativos. Danzan cual bailarines con una coreografía hipnótica. Parece magia, pero es física.

Las gotas compuestas de propilenglicol y agua no presentan un ángulo de contacto con la superficie bien definido, sólo lo aparentan. Están rodeadas por una delgada capa de fluido que no se ve a simple vista. Gracias a ello hay fuerzas entre cada dos gotas debidas a los gradientes de tensión superficial inducidos por la evaporación en dichas películas líquidas.  Un sistema fluidodinámico que presenta una amplia variedad de comportamientos y que puede tener aplicaciones en ingeniería de fluidos y de microfluidos.

El artículo técnico es N. J. Cira, A. Benusiglio, M. Prakash, “Vapour-mediated sensing and motility in two-component droplets,” Nature, AOP 11 Mar 2015, doi: 10.1038/nature14272. Muchos medios se han hecho eco de esta noticia, como mi amigo Antonio Martínez Ron, aka @aberron, “Jugando con gotas: una puerta a nuevas aplicaciones líquidas,” Next, Vozpópuli, 11 Mar 2015.

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Te recomiendo ver este vídeo, sobre todo a partir del minuto 06:00 donde se explica cómo repetir los experimentos en tu propia casa (si te apetece es muy fácil). Los profesores de física disfrutarán de ello pues se trata de un experimento fácil de emular en un laboratorio con pocos medios. Y los resultados son espectaculares.

Dibujo20150312 droplet interactions - evaporation - nature com

Esta figura ilustra muy bien cómo las gotas usadas en el experimento están rodeadas de una película líquida delgada. Esta película induce fuerzas (interacciones) entre las gotas que dan lugar a diferentes comportamientos.

Dibujo20150312 Phase plot of the short-range droplet interactions - nature com

Este diagrama de fases muestra los diferentes tipos de interacción entre dos gotas (0.5 µl) con agua y cierto porcentaje de propilenglicol (% PG). Hay cuatro posibles comportamientos. Para entenderlos mejor recomiendo ver el vídeo de arriba (si no lo has visto ya). Por ejemplo, en rojo en este diagrama de fases aparece la fusión o coalescencia de gotas; por ejemplo, las dos gotas amarillas en la figura que abre esta entrada tienen un 10% PG. Por cierto, si se fusionan dos gotas de diferente color (sean amarillo y azul) se produce un cambio de color (verde). Otro ejemplo es el empuje sin mezcla (intact chase) que aparece en azul en el diagrama de fases; por ejemplo, las gotas azul (25% PG) y naranja (1% PG) en la figura que abre esta entrada. Una gota empuja a la otra sin que lleguen a mezclarse. Y de forma similar con los otros dos tipos de interacción.

Dibujo20150312 Spontaneous droplet aligner - Spontaneous droplet aligner - nature comSe pueden desarrollar gran número de dispositivos (micro)fluídicos. Los autores nos propones un alineador de gotas espontáneo (parte de arriba de la figura) y un oscilador vertical de gotas (parte de abajo de la figura). En el alineador horizontal se usan gotas verdes de 0.5 μl con 10% PG que se colocan en posiciones aleatorias separadas 5 mm con líneas verticales emtre ellas escritas con un marcador de punta fina y tinta permanente de color negro (marca Sharpie). En el oscilador vertical se usan gotas azules (25% PG) y rojas (1% PG) en una pista vertical de 4 mm (los fotogramas de las imágenes están separadas un segundo).

Dibujo20150312 circular chasing - surface tension sorter - nature com

Esta figura muestra otros dos dispositivos: una pista de carreras circular (arriba) y un clasificador en función de la tensión superficial (abajo). En la pista circular la gota roja (1% PG) y la azul (25% PG) se mueven en una circunferencia de diámetro medio 2,1 cm (las tres imágenes están separadas por diez segundos). En el clasificador por tensión superficial se colocan varios pozos (pintados con rotulador Sharpie) que contienen gotas con concentraciones decrecientes 30% PG (rojo), 25% PG (naranja), 20% PG (amarillo), 15% PG (verde), 10% PG (azul) y 5% PG (negro). Esta configuración se inclina (en forma de plano inclinado) y se dejan caer gota de cierta concentración (y por tanto cierta tensión superficial). Caen por gravedad y se produce una coalescencia cuando se encuentran con una gota similar. Gracias a ello se puede estimar la tensión superficial de la gota que cae.

En resumen, un trabajo muy curioso y muy interesante, que puede tener múltiples aplicaciones en microfluidodinámica. La belleza de la física de fluidos nunca deja de sorprender.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 12 marzo, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia