Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han resuelto un antiguo enigma científico para revelar la verdadera causa del drenaje de líquido de la espuma. Los modelos de física tradicionales han sobreestimado constantemente la altura que debe tener una espuma antes de que comience a emerger líquido. Al observar de cerca el comportamiento de la espuma, el equipo descubrió que el factor clave no es simplemente mover el líquido a través de una estructura determinada, sino la presión necesaria para reorganizar las burbujas. Este hallazgo enfatiza la importancia de los procesos dinámicos en el estudio de materiales blandos.
Cualquiera que haya rociado espuma sobre una superficie probablemente haya notado que se forman gotas que gotean desde abajo. Esto sucede porque la espuma está formada por burbujas apretadas y separadas por finas películas líquidas, que crean una compleja red de vías. El fluido puede pasar a través de estos conductos, ya sea drenando o siendo absorbido por la espuma cuando entra en contacto con ella. Los científicos han creído durante mucho tiempo que este proceso está controlado por el “límite de absorción”, que depende de la “presión osmótica” cuando las burbujas se comprimen, y el área de contacto entre el líquido y el gas transferido es una medida del cambio de energía.
Por qué el viejo modelo no se corresponde con la realidad
Sin embargo, esta interpretación no coincidía con lo que los investigadores observaron en la vida real. Los cálculos basados en la presión osmótica sugieren que la espuma debe tener aproximadamente un metro de altura antes de que comience el drenaje del líquido. En la práctica, las espumas, incluso de unas pocas decenas de centímetros de altura, pueden filtrarse fácilmente. Esta brecha entre teoría y realidad ha desconcertado a los científicos durante años. Dado que las espumas se utilizan ampliamente en productos que van desde soluciones de limpieza hasta productos farmacéuticos, es esencial comprender cómo se comportan para mejorar su rendimiento, como por ejemplo crear espumas que resistan el drenaje.
Los experimentos revelan un patrón universal
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Rei Kurita, estudió sistemas de espuma simples elaborados con diferentes tensioactivos para producir diferentes tipos de espuma. Colocaron estas espumas en placas transparentes y las mantuvieron en posición vertical, lo que permitió observar directamente cómo se movía el líquido en su interior. Sus experimentos revelaron un patrón consistente: la altura a la que comienza el drenaje está inversamente relacionada con el contenido líquido de la espuma, independientemente del tipo de surfactante o del tamaño de la burbuja. También calcularon una “presión osmótica efectiva” para este proceso, que resultó ser mucho más baja de lo previsto basándose únicamente en el tamaño de las burbujas y la tensión superficial.
El movimiento de las burbujas provoca fugas de espuma
Para comprender mejor lo que estaba sucediendo, los investigadores grabaron un vídeo dentro de la espuma. En el punto donde comienza el drenaje, observaron que el fluido no fluye simplemente por el canal fijo. En cambio, esto provocó que las burbujas migraran y se reorganizaran. Esto los llevó a identificar el “límite elástico”, que es la cantidad de presión necesaria para hacer que las burbujas se muevan y se reformen, como el factor de control. Su modelo, basado en este concepto, predice con precisión la altura de la espuma a la que se produce el drenaje.
Una nueva forma de entender los materiales blandos
Estos hallazgos cambian la forma en que los científicos piensan sobre la extracción de espuma. En lugar de ver la espuma como una estructura estática por la que fluye un fluido, debería verse como un sistema dinámico donde la estructura misma puede cambiar. Los investigadores esperan que esta nueva perspectiva conduzca a conocimientos más profundos sobre los materiales blandos y ayude a guiar el diseño de productos avanzados a base de espuma.
Este trabajo fue apoyado por la subvención JSPS KAKENHI número 20H01874.
