Si alguna vez has visto gotas de agua deslizarse sobre una sartén caliente, has sido testigo de un fugaz momento de magia física. Ahora, los científicos de la EPFL de Suiza han logrado que pequeñas gotas de petróleo reboten sobre una superficie sólida vibrante durante hasta cinco minutos, y posiblemente para siempre.
El descubrimiento se basa en el efecto Leidenfrost, donde las gotas de líquido flotan sobre su propio colchón de vapor sobre superficies abrasadoras. Pero aquí está el truco: no requiere calor. Los investigadores reemplazaron el cojín térmico con vibraciones mecánicas, haciendo que las gotas bailaran a temperatura ambiente sobre una lámina de mica atómicamente suave.
“Lo interesante aquí es que las observaciones previas de gotas que rebotan perpetuamente fueron determinadas por la superficie cambiante del baño líquido vibrante, pero en nuestro caso la superficie es sólida, por lo que las propias deformaciones de la gota están impulsando su comportamiento único”, explica John Kolinski, quien dirige el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de Interfaces Suaves de EPFL.
Dos formas de rebotar
El equipo de investigación, dirigido por el estudiante de doctorado Lebo Molefe, descubrió algo inesperado: las gotas exhiben dos personalidades distintas según la frecuencia de vibración. A frecuencias moderadas, las gotas rebotan como pequeñas pelotas de baloncesto, saltando visiblemente sobre la superficie. Aumente la frecuencia y las gotas cambian a lo que los investigadores llaman un “estado ligado”, donde parecen pegadas a la superficie mientras vibran frenéticamente en su lugar.
¿El punto de transición? Cuando las vibraciones alcanzan unos 100 ciclos por segundo, igualando la frecuencia de resonancia natural de la gota. Por debajo de ese umbral, las gotas almacenan energía como resortes en espiral, aplanándose contra el colchón de aire antes de saltar hacia arriba. Por encima de él, oscilan tan rápidamente que nunca tienen tiempo de acumular suficiente energía elástica para un rebote adecuado.
Molefe compara el experimento con mantener una pelota de ping-pong rebotando sobre una paleta, excepto que la pelota es líquida y la paleta es mica vibrante, un mineral tan suave que su superficie varía solo unos pocos nanómetros. Las gotas de aceite de silicona de 1,6 milímetros viajan sobre una película de aire tan delgada que es casi invisible, sostenida únicamente por la interacción entre la tensión superficial y la vibración mecánica.
Las matemáticas se encuentran con los microfluidos
Para descifrar la física detrás de estas gotas levitantes, el investigador Tomas Fullana desarrolló simulaciones por computadora que rastrearon cada oscilación y deformación. El equipo descubrió que podían predecir el comportamiento de las gotas utilizando un modelo relativamente simple: dos resortes acoplados que representan el centro de masa de la gota y sus oscilaciones de forma.
“Para ‘saltar’ de la superficie, la gota necesita tiempo suficiente para aplanarse primero, por lo que la tensión superficial hace que almacene energía como un resorte en espiral. A altas frecuencias de vibración, no hay tiempo suficiente para que esto suceda, por lo que la gota parece estar atrapada cerca de la superficie”.
Las simulaciones revelaron algo curioso: en teoría, las gotas podrían rebotar para siempre, limitadas únicamente por las imperfecciones de la superficie. En la práctica, las gotas eventualmente encontraron defectos microscópicos en la mica que rompieron el colchón de aire y provocaron que salpicaran. En una superficie perfectamente lisa, la energía mecánica de las vibraciones equilibraría exactamente la energía perdida por la fricción.
Los investigadores descompusieron las formas de las gotas en componentes matemáticos llamados armónicos esféricos, como descomponer un acorde musical en notas individuales. Descubrieron que el segundo modo armónico, que hace que las gotas alternan entre formas de panqueque y de fútbol, es fundamental para un rebote sostenido. Cuando este modo se excita adecuadamente, las gotas pueden escapar de la superficie. Cuando dominan los modos superiores, las gotas quedan atrapadas.
“Nuestras simulaciones numéricas muestran que una caída podría retener suficiente energía cinética para rebotar durante un período prolongado y posiblemente indefinidamente”.
Los hallazgos podrían remodelar la forma en que los científicos manejan cantidades minúsculas de líquido en la fabricación farmacéutica, donde la pureza química y la precisión son enormemente importantes. El equipo de EPFL ya ha demostrado que pueden dirigir las gotas que rebotan a través de la superficie de la mica utilizando pequeños chorros de aire comprimido, como pinzas neumáticas para líquidos.
A diferencia del efecto Leidenfrost, que requiere temperaturas lo suficientemente altas como para vaporizar el líquido y dañar potencialmente las moléculas sensibles, la levitación basada en vibraciones funciona a temperatura ambiente. Las gotas se mueven a través de la superficie mucho más rápido que en un baño líquido, y el sustrato sólido ofrece mucho más control que una superficie fluida ondulante.
Lo que comenzó como una curiosidad sobre el rebote de las gotas ha revelado la física fundamental sobre cómo interactúan los líquidos con los sólidos cuando se evita el contacto. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Physical Review Letters, junto con modelos matemáticos que predicen las trayectorias de las gotas sin ningún parámetro ajustable, un logro poco común en la dinámica de fluidos.
Cartas de revisión física: 10.1103/w3qq-cnj3
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