Una Extraña Espuma

Las leyes de física que controlan la formación de espumas comunes no son muy conocidas. Un experimento programado para llevarse a cabo a bordo de la Estación Espacial Internacional nos ayudará a entenderlas mejor.

Junio 9, 2003: Ponga algo de jabón de lavaplatos en el fregadero y llénelo de agua. Se formará una sustancia verdaderamente rara.

A pesar de estar formada casi completamente por aire, la espuma jabonosa en ese fregadero, por una u otra razón, se comporta como un sólido elástico. Extraño.

Arriba:Un poco de jabón y agua es todo lo que se necesita para hacer su propio experimento científico. Cortesía (Junta Para la Función Terapéutica Ocupacional) Junction of Occupational Therapy Function .

Douglas Durian, profesor de física de UCLA sugiere lo siguiente: "Tome algo de crema de afeitar y póngala en su mano. Tóquela. Atraviésela con los dedos. Pregúntese si es un sólido, un líquido o un gas".

Normalmente las espumas acuosas, como la crema de afeitar o las jabonaduras en el fregadero, son mayormente gas (95%) y en una pequeña parte líquido (5%). El gas subdivide al líquido en una matriz de pequeñas burbujas. Las buenas espumas usualmente contienen complejas moléculas que forman las paredes de las burbujas. La nata de la leche, por ejemplo, sirve a este propósito en la crema batida. La manera como las burbujas permanecen unidas unas a otras o se deslizan entre ellas, determina cómo se comporta la espuma.

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Muchos de nosotros estamos tan habituados a las espumas que apenas notamos lo extrañas que son. Las espumas están en nuestras piernas o caras cuando nos afeitamos, o en nuestros platos cuando los lavamos, en la superficie de nuestros vasos de soda o cerveza. "Aun así nuestra comprensión sobre la física de la espuma deja mucho que desear", dice Durian.

Mucho de lo que se conoce lo sabemos por ensayos a ciegas. Actualmente no existe ninguna teoría para predecir exactamente lo rígida o fluida que será una espuma con base en sus características como el tamaño de sus burbujas o la cantidad de líquido que contiene. Y la rigidez exacta de una espuma es crucial para muchos usos. Simplemente imagine: una espuma retardadora del fuego que pueda fluir rápidamente a través de la válvula de un extinguidor y que se quede fuertemente adherida allí en donde aterrice; o un agente contra armas biológicas que se expanda para rellenar grietas y hendiduras y matar a los microbios allí residentes.

A Durian le gustaría contestar los interrogantes sobre las espumas conociendo más sobre su física fundamental. Este es el objetivo de un experimento que él y sus colegas están diseñando para la Estación Espacial Internacional (EEI). Se llama FOAM (Foam Optics And Mechanics - Óptica y Mecánica de las Espumas).

Un Reino Inexplorado

"Una forma de entender la física básica de cualquier material es explorar su "punto crítico" -- el umbral en el que el material cambia de fase, por ejemplo, de sólido a líquido", dice Durian. "Explorar el punto crítico de las espumas es lo que hará FOAM".

Las espumas, las cuales pueden actuar como sólidos, son parte gas y parte líquido. ¿Qué quiere decir eso de que una sustancia cambia de fase?

Durian lo explica: El punto crítico de una espuma ocurre cuando el líquido que contiene es tan elevado (más o menos 37 % en volumen) que las burbujas de aire son completamente esféricas y solamente se tocan en un punto, como las bolas de acero de un cojinete apiladas juntas en una jarra. Es entonces cuando la espuma deja de actuar como un apilamiento semisólido de burbujas y comienza a comportarse como burbujas flotando libremente dentro de un líquido fluido -- un "cambio de fase" en pocas palabras.

Arriba:Una espuma cerca del "punto crítico" tendría burbujas de aire perfectamente esféricas. Cortesía de Dan Sandler.

"Es imposible estudiar el punto crítico de una espuma en tierra, pero en el espacio podemos hacerlo muy bien", dice Durian.

La gravedad hace que el líquido de una espuma fluya hacia abajo, especialmente cuando la espuma está relativamente húmeda como lo estaría cerca del punto crítico. Aquí en la Tierra el punto crítico no se puede alcanzar porque el líquido rápidamente se acumula en la parte inferior del recipiente, dejando una espuma con unas pocas burbujas en la parte inferior y solamente cerca del 5 % del contenido líquido flotando en la parte superior.

"En órbita, el drenaje de la espuma es casi inexistente, por lo que podemos llevar a una espuma al punto crítico y estudiarla a nuestro gusto", dice Durian.

Derecha:El flujo de fluido dirigido por la gravedad hacia la parte inferior de una espuma impide a los científicos experimentar cerca del "punto crítico" aquí en el suelo. Nótese cómo las paredes de las burbujas cercanas a la parte inferior de la imagen -- en donde el contenido de líquido es mayor -- son más esféricas, mientras que las burbujas más arriba tienen lados más angulares y rectos. Imagen cortesía de la NASA.

¿Cómo se estudia una espuma? No se puede tocar, obviamente, o se romperán las burbujas y la espuma cambiará. De alguna forma, los investigadores necesitan un medio para medir las características de una espuma sin alterarla.

La solución, dice Durian, es sencilla.

Midiendo con Luz

Durante casi los últimos diez años, el grupo de investigación de Durian en UCLA junto con otros han estado desarrollando maneras de utilizar rayos de luz para medir el tamaño, humedad, y movimiento de las burbujas en una espuma. Estas técnicas son fundamentales en el experimento FOAM.

En un método, llamado "espectroscopía de transmisión difusa", los científicos hacen pasar el rayo a través de la espuma y miden qué cantidad de luz alcanza un punto en el otro lado. En una espuma con solamente unas pocas burbujas muy grandes, la mayor parte de la luz atravesará con poca interferencia; en una espuma con burbujas numerosas y pequeñas, la luz será dispersada por las membranas de las burbujas. Medir la cantidad de luz que alcanza el lado opuesto permite a los científicos cuantificar el tamaño promedio de la burbuja.

El movimiento de las burbujas se puede también detectar usando luz monocromática (de un solo color). Si un rayo láser atraviesa la espuma, las membranas de las burbujas en movimiento producen un ligero efecto Doppler, cambiando la frecuencia -- y por tanto el color -- de la luz. La observación de estos pequeños cambios en la frecuencia de la luz les dice a los investigadores lo rápido que las burbujas se mueven y en qué dirección. Esta técnica se llama "espectroscopia de onda difusa".

Arriba: Diagrama esquemático de la espectroscopía de onda difusa.

A bordo de la EEI, una sencilla espuma acuosa se formará dentro del aparato FOAM. Durian y sus colaboradores, quienes podrán controlar remotamente el experimento desde tierra, seleccionarán la proporción líquido-gas para que la espuma se acerque al punto crítico. Entonces la atravesarán con un rayo láser para estudiar sus propiedades al ser torsionada y deformada mediante placas mecánicas.

"El objetivo", dice Durian, "es descubrir cómo la estructura interna de la espuma cambia al desvanecerse su carácter elástico". Esta información será fundamental. Están seguros de que los resultados interesarán a cualquiera que desee echar espuma alrededor de una esquina o en el interior de un fuego ó a quien desee crear una teoría física sobre la espuma.

Y lo mejor de todo, quizás, es algo en que pensar, la próxima vez que esté lavando los platos.

La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Biological and Physical Research) de la NASA (OBPR) apoya estudios como estos para el beneficio de los seres humanos en el espacio y en la Tierra.

Experimento FOAM -- Portal del experimento tratado en este artículo.

Douglas Durian -- Portal del investigador principal del experimento tratado en este artículo.

Portal de Difusión Lumínica: Espuma -- Portal del grupo de investigación de Durian sobre las espumas.

Derecha:Las espumas se usan en muchas aplicaciones importantes como la extinción de incendios. Imagen cortesía de homefirefightingsystems.com.

Burbujas y películas: Burbujas (Exploratorium); Tensión Superficial (Hiperfísica - Hyperphysics); Tensión Superficial y Burbujas (Hiperfísica - Hyperphysics); Burbujas y Jabón (Centro de Tareas - The Homework Center); Membranas y Películas (Universo Molecular - Molecular Universe)

La Física de... la Espuma: Burbuja, Burbuja -- artículo sobre espumas de Discover Magazine.