La física de las manchas de café publicada de nuevo en Nature

Por Francisco R. Villatoro, el 17 agosto, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 4

 

Quien alguna vez haya derramado su café en la mesa habrá observado que en el borde de la mancha, una vez se ha evaporado el líquido, aparece un anillo de granitos de café. La causa se publicó en 1997 en Nature, el flujo hacia afuera de las partículas de café suspendidas en el líquido mientras éste se evapora. Hoy se publica en Nature un artículo que demuestra que este efecto se podría evitar si las partículas de café fueran elipsoidales. Supongo que te preguntarás para qué sirve estudiar cómo evitar el borde de las manchas de café. Según los autores, esta investigación básica tendrá aplicaciones tecnológicas en las impresoras por chorro de tinta y para lograr un recubrimiento uniforme de materiales mediante películas delgadas (pinturas, lubricantes y otros recubrimientos). No sé qué opinarás al respecto, pero en mi opinión dos artículos científicos sobre la formación de las manchas de café publicados en la prestigiosa revista Nature es todo un logro de marketing para los investigadores responsables de estos estudios. Nos lo cuenta Jan Vermant, “Fluid mechanics: When shape matters,” Nature 476: 286–287, 18 August 2011, que se hace eco del artículo técnico de Peter J. Yunker, Tim Still, Matthew A. Lohr, A. G. Yodh, “Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions,” Nature 476: 308–311, 18 August 2011. El artículo publicado en Nature en 1997 es Deegan, R. D. et al., “Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops,” Nature 389: 827–829, 1997.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=1P8fwn49wtg&hd=1]

El mecanismo que explica la acumulación de los granitos de café en suspensión en el borde de la mancha es el siguiente. El borde del líquido se adhiere a la superficie debido a su rugosidad, lo que provoca que el radio del menisco se mantenga constante mientras el líquido se evapora. Conforme el líquido se evapora, la tensión superficial obliga a que nuevo líquido ocupe su lugar para mantener el radio del menisco constante. Este flujo desde el interior hacia el borde arrastra las partículas en suspensión que se acumulan en el borde de la mancha. El resultado es el típico anillo de granitos de café en el borde de la mancha. Yunker et al. han demostrado en su artículo que si las partículas en suspensión son elipsoidales y se encuentran en la superficie del líquido, se produce un aumento de la viscosidad superficial sobre la partícula debido a que la tensión superficial actúa de forma diferente en los “picos” de la partícula (donde su curvatura es mayor) que en su parte media (donde la curvatura es casi nula). El cambio local en la forma de la interfaz entre el líquido y el aire alrededor de la partícula elipsoidal produce fuerzas capilares cuyo efecto es bastante poderoso y de largo alcance, hasta el punto de que evita el flujo de estas partículas hacia el borde de la mancha. Para descubrirlo, Yunker et al. han observado mediante microscopios conectados a cámaras de vídeo el comportamiento de pequeñas partículas de látex de poliestireno de pocos micrómetros, tanto esféricas como elipsoidales, en suspensiones acuosas con concentraciones entre el 0,01% y el 20% en volumen. Los autores han descubierto que la adición de una pequeña cantidad de elipsoides (apenas un 0,015%) es suficiente para evitar la formación del anillo de partículas en el borde de la mancha. Además, la hipótesis de los autores sobre el efecto de la tensión superficial en la viscosidad ha sido verificada gracias a la adición de surfactantes (tensioactivos) en el líquido que reducen el efecto de la tensión superficial.

Hay un podcast en Nature con una entrevista a Peter J. Yunker, estudiante de doctorado y primer autor del artículo. Según cuenta él es el responsable del descubrimiento casual que condujo al artículo (mientras estudiaba cristales coloidales formados por partículas elipsoidales).

PS: El tema de las manchas de café parece que está de moda; también hay un artículo reciente en PRL. En concreto, Álvaro G. Marín, Hanneke Gelderblom, Detlef Lohse, Jacco H. Snoeijer, “Order-to-Disorder Transition in Ring-Shaped Colloidal Stains,” Phys. Rev. Lett. 107: 085502, August 15, 2011 [el artículo es de acceso gratuito], que nos desglosa Greg Huber, “Rush hour in a drop of coffee,” Physics 4: 65, 2011.

PS (22 ago. 2011): Álvaro G. Marín nos recomienda este vídeo suyo en youtube, con buena música y un texto (en inglés) muy clarificador. Álvaro y los demás lectores de este blog ya sabéis que le tengo un cariño especial a los vídeos de la Gallery of Fluid Motion.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=Bnku2078kG0]



4 Comentarios

  1. Hola,

    Simplemente comentar que no creo que se trate de una labor de marketing. Parece que porque se habla de granos de café, el tema tiene poca relevancia científica, pero se trata de un efecto con unas consecuencias muy importantes en el campo de la fabricación de displays de OLEDs u “Organic Light Emmiting diodes”. Estos materiales poliméricos, que se utilizan para fabricar las pantallas que ahora tenemos en muchos smartphones (tipo Samsung Galaxy), son depositados a través de cabezas de impresora disueltos en disolventes orgánicos. Una vez que la gota de disolución alcanza el sustrato (una gota por pixel y color), que ademas funciona como ánodo, el disolvente se evapora y el material polimérico queda depositado. El mecanismo de evaporación del disolvente es similar al de las manchas de café, y sin un adecuado control de la evaporación, la mayor parte del material polimérico acabará depositado en los bordes del pixel en lugar de como una superficie plana paralela al sustrato. Esto tiene dos consecuencias principales:
    – Se reduce el área de emisión del pixel ya que solo se emitirá a través de la zona central, más delgada.
    – Aumentan las posibilidades de cortocircuito de dos formas distintas:
    * porque la capa de polimero central acaba siendo tan delgada que el ánodo entre en contacto en algún punto con el cátodo que se deposite encima del matrial polimérico o,
    * porque el grosor del cátodo acaba siendo inferior al grosor del material polimérico en los bordes

    Por cierto, existen patentes publicadas que hacen uso de este efecto. Por ejemplo: http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=0&adjacent=true&locale=en_lp&FT=D&date=20091112&CC=JP&NR=2009266824A&KC=A

    Al efecto se le denomina coffee-ring effect, lo cual no quiere decir que no tenga implicaciones en otros ámbitos.

    Saludos,

    Martin

    1. Gracias, Martin. Tienes razón pero en entrevistas y en noticias de divulgación los autores siempre ponen el énfasis en el café como si las aplicaciones industriales fueran algo de importancia menor.

Deja un comentario