Flotabilidad inversa durante la evaporación de un coloide

Dibujo20160318 simulation wet film containing a colloidal mixture of large and small particles phys rev lett 118301

Al agitar un medio granular los granos de mayor tamaño ascienden hacia la superficie (el llamado efecto de las nueces del Brasil). Sin embargo, si solo hay dos tamaños de grano, con diámetros muy diferentes, ocurre lo contrario, los granos grandes se acumulan en el fondo (la llamada flotabilidad inversa). Se publica en Physical Review Letters que la flotabilidad inversa también se observa cuando se evapora un coloide cuyas partículas en suspensión tienen solo dos tamaños muy diferentes.

Esta segregación inducida por la evaporación puede ocurrir en capas de líquido delgadas (como pinturas y colorantes). Gracias a ello podría tener aplicaciones en la fabricación de materiales formados por capas delgadas gracias a la evaporación de coloides.  Incluso el desarrollo de nuevas cremas solares protectoras a los rayos ultravioletas con un película reflectante al ultravioleta sobre una capa bien hidratada que esté en contacto con la piel. También podría tener aplicaciones en la industrica microelectrónica y en el desarrollo de pantallas (displays). Muchas aplicaciones potenciales para un resultado sorprendente, sobre todo para quienes conocen el efecto de las nueces del Brasil, pero ignoran la flotabilidad inversa.

El artículo es Andrea Fortini et al., “Dynamic Stratification in Drying Films of Colloidal Mixtures,” Phys. Rev. Lett. 116: 118301 (18 Mar 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.118301; más información en Katherine Kornei, “Particles Stratify by Size in Thin Films,” Physics 9: 30 (18 Mar 2016). Por cierto, también recomiendo Anthony Rosato et al., “Why the Brazil nuts are on top: Size segregation of particulate matter by shaking,” Phys. Rev. Lett. 58: 1038 (9 Mar 1987), doi: 10.1103/PhysRevLett.58.1038; Troy Shinbrot, Fernando J. Muzzio, “Reverse Buoyancy in Shaken Granular Beds,” Phys. Rev. Lett. 81: 4365 (16 Nov 1998), doi: 10.1103/PhysRevLett.81.4365, y “Antigravity in a Sandbox,” Phys. Rev. Focus 2: 26 (23 Nov 1998).

Dibujo20160318 snapshots Evolution with time of the density profiles of the small particles for a mixture with size ratio 7 to 1 phys rev lett 118301

Conforme un líquido (coloide) se evapora, las partículas en suspensión chocan entre ellas. El resultado es un movimiento browniano. Siendo más rápido para las partículas más pequeñas, éstas se redistribuyen mejor conforme el volumen del coloide decrece al evaporarse. Las partículas más grandes son más lentas y se acumulan en la interfaz aire-líquido. Se observa el efecto de las nueces del Brasil. Sin embargo, Richard Sear, Universidad de Surrey en Guildford, Reino Unido, y sus colegas encontraron exactamente lo contrario, la flotabilidad inversa, cuando la suspensión sólo contiene dos tamaños de partículas. Lo han confirmado con simulaciones por ordenador y con experimentos de laboratorio.

Dibujo20160318 Experimental results for dried films formed of a binary mixture of colloidal particles of size ratio 7 to 1 phys rev lett 118301

En los experimentos han usado coloides a base de agua que contienen partículas esféricas (acrílicas) de dos tamaños (diámetros de 385 y 55 nanómetros). El efecto se observa tras varias horas (porque la evaporación es un fenómeno lento). Las simulaciones por ordenador muestran que el efecto se observa para las relaciones de tamaño desde 2:1 hasta 14:1, cuando el número de partículas pequeñas supera al número de los grandes por un factor mayor de 200.

 

 

 

Realmente la física de los medios granulares es asombrosa y parece ocultar muchas sorpresas.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 19 marzo, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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