Después del agua en estado líquido, la materia granular es lo que más manipula el ser humano. Desde las dunas del desierto hasta los largos litorales de las costas y el fondo del mar; los cráteres de la Luna, la superficie de Marte y gran parte de los asteroides, están constituidos de arena. Es decir, materia granular, que también lo son el café, la sal y el azúcar; maíz y trigo; cemento y grava; los detergentes y más: un conglomerado de granos con variadas aplicaciones en la vida cotidiana.
Comprender su dinámica es objeto de estudio de la llamada ciencia básica: el conocimiento mismo y el paso para el desarrollo tecnológico. Desde la Física experimental, el doctor Felipe Pacheco Vázquez, investigador del Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas” de la BUAP, recién galardonado por la Academia Mexicana de Ciencias con el Premio de Investigación 2021 para Jóvenes Investigadores, en el Área de Ciencias Exactas, estudia la materia granular.
Integrante del Cuerpo Académico 171 Materiales Complejos e Inteligentes, su Laboratorio de Materia Granular y Dinámica de Fluidos, del IFUAP, ha sido un semillero en la formación de recursos humanos, estudiantes de licenciatura y posgrado, que desarrollan sus tesis bajo su tutoría.
Con sus estudiantes, el también Premio Cátedra Marcos Moshinsky, que le otorgó la UNAM en noviembre de 2020, el doctor Pacheco ha concluido diversos proyectos experimentales, cuyos resultados han sido publicados en revistas especializadas: desde encapsular y estabilizar burbujas, hasta procesos de descarga de silos y amortiguadores granulares, con futuras aplicaciones en la industria.
Estabilización de burbujas o cómo mantener fría una chela
En 2020, The Journal of Colloid and Interface Science, una revista de alto impacto, publicó un trabajo original y novedoso: Air entrainment and granular bubles generated by a jet of grains entering water, del doctor Felipe Pacheco y sus estudiantes Andrea Margarita Cervantes Álvarez y Yesica Jazmín Escobar Ortega.
Originalmente inició un proyecto sobre el atrapamiento de aire, un hecho que ocurre en muchos fenómenos -por ejemplo, un tsunami puede ser provocado por el crecimiento de olas al registrarse un colapso subterráneo del mar debido a la entrada de granos-, del cual derivó otra observación: la estabilización de burbujas granulares.
Cuando viertes un puño de granos en agua, las partículas entran arrastrando aire hacia el interior del líquido, con lo cual se generan burbujas granulares muy estables, pues en la interface aire, agua y granos, estos cubren la burbuja y se pegan en la superficie. La estabilización de estas burbujas se ha hecho con materiales distintos y resultan de interés para la industria, ya que este mecanismo simple podría servir para encapsular y retirar un contaminante en un medio líquido, entre otras aplicaciones.
“Te permite atrapar un contaminante y transportarlo en el agua para poder ser retirado. Es posible controlar el proceso, encapsular el gas contaminante o bien un líquido en la superficie del agua, si lo hay, como aceite; esto depende de la cantidad y tamaño de los granos”, explica el doctor Felipe Pacheco.
El académico -nivel II del Sistema Nacional de Investigadores- y su equipo de trabajo se percataron que este jet o chorro de granos generaba una serpentina de aire y burbujas muy estables; así, del planteamiento original de la investigación se pasó a observar la estabilización de burbujas y encapsulado del gas.
Los resultados de este experimento de ciencia básica fueron publicados en 2020 en el Journal of Colloid and Interface Science; un trabajo de interés por sus posibles aplicaciones, incluso en la industria de alimentos:
“Las cervezas belgas son famosas por sus espumas densas que duran mucho. Mientras que las mexicanas no tienen esta propiedad que permite mantener la temperatura”; en este caso, una cerveza bien fría por más tiempo.
Con esta observación del equipo del doctor Pacheco -el mecanismo de encapsulado de gas o estabilización- esto sería posible. “Se trata de estabilizar la espuma con granos más pequeños, de 100 micas (la sal de cocina es de 300 micas, el talco de 20 micas), para lograr mantener por más tiempo la espuma, la cual funciona como un aislamiento térmico para mantenerla fría por más tiempo”
¿Qué pasa si realizamos una mezcla simultánea de granos y líquido en el drenado de arena en una playa?
Fue un cuestionamiento que dio origen a otro trabajo de investigación del doctor Pacheco Vázquez, quien también obtuvo los premios Weizmann y Rosenblueth, por Mejor Tesis de doctorado, otorgados por la Academia Mexicana de Ciencias y el Cinvestav, respectivamente.
La descarga simultánea de granos y líquido lo llevó a cabo desde un silo, un contenedor en forma cilíndrica, en el cual, al tener un agujero en el fondo, se descargan tradicionalmente granos secos y depende del tamaño de la abertura la cantidad de granos que salen por unidad de tiempo, pero no de la altura de la columna granular. En el caso de líquido, el volumen descargado depende de la altura (presión hidrostática). Esto se sabe a partir de formulaciones matemáticas.
Sin embargo, ¿qué ocurre en esta combinación simultánea de granos y líquido? “Estudiamos esto con distintos tamaños de granos y silo. Realizamos experimentos y simulaciones numéricas en la computadora”, señala el investigador.
El experimento llevó a optimizar la descarga simultánea de granos y líquido desde un silo, un trabajo concluido y publicado en Physics of Fluids en 2018, en colaboración con sus estudiantes Andrea Margarita Cervantes Álvarez y Samuel Hidalgo Caballero.
El Efecto Leidenfrost
Seguramente cualquier ama de casa ha observado cómo se evaporan gotas de agua al caer sobre un sartén o plancha muy caliente, a una temperatura de 120 grados; pero si elevamos la temperatura a 250 grados, uno pensaría que se evaporarían más rápidamente. Sin embargo, no es así: las gotas flotan sobre su propio vapor. Esto es el llamado El Efecto Leidenfrost, el cual pasó como una simple curiosidad en 1756, cuando fue observado.
Pasaron casi dos siglos y medio para retomar el estudio sistemático de este fenómeno. En 2003, científicos de Francia estudiaron cómo esa gota de agua dependía de su tamaño o espesor para tomar formas distintas.
El doctor Felipe Pacheco empezó sus trabajos experimentales sobre el Efecto Leidenfrost en 2016, cuando demostró que puedes establizar cantidades muy grandes de líquido en estado Leidenfrost dependiendo de la forma de la superficie caliente. En 2020 comenzó a estudiar la coalescencia de gotas Leidenfrost, fenómeno que ocurre cuando gotas pequeñas se unen o fusionan, como pasa con las nubes, en donde las gotas se unen y caen por efecto de la gravedad.
“Nosotros descubrimos que gotas de líquidos miscibles no coalescen en estado Leidenfrost. Por tanto, las puedes transportar en una superficie simultáneamente, propulsadas por su propio vapor. Esto ha despertado el interés por su probable aplicación en ingeniería y microfuídica”.
Los baleros que se utilizan en los autos, por ejemplo, llevan lubricantes. El estudio del doctor Pacheco permite pensar en el desarrollo de una especie de balero líquido en donde al calentarse la superficie por fricción, el líquido entre en estado Leidenfrost y elimine la fricción con la superficie.
“Un milagro de la ingeniería aún no encaja con la madre naturaleza”
El aeropuerto de Kansai, asentado sobre una isla artificial en Osaka, Japón, ha atraído el interés mundial debido a hundimientos por arriba de lo previsto. Un milagro de la ingeniería aún no encaja con la madre naturaleza, reza un titular de la prensa en 2015, a propósito de este hecho.
En 2019, Felipe Pacheco Vázquez realizó una estancia de investigación en la Universidad de Nagoya, en Japón, donde estudió con sus colegas nipones el fenómeno de compresión de medios granulares; es decir, cómo crece la fuerza que opone un medio granular al ser comprimido. ¿Qué lo motivó? Justamente hechos como el citado aeropuerto de Kansai, asentado sobre una isla artificial, en la cual se compactó el medio granular y se tapizó con cemento. En cinco años, el nivel de este aeropuerto se comprimió en lo que se esperaba ocurriera en 20 años. Este aeropuerto se está hundiendo, como ocurre con otras obras, como la Catedral en México.
“Nuestro conocimiento de la compresión de la materia granular no es suficiente. Estudiar cómo crece la fuerza y describir esa dinámica nos permitirá una mayor eficiencia de esas obras”, concluye el doctor Felipe Pacheco, investigador del IFUAP, con alrededor de 30 publicaciones en revistas especializadas, quien ha impartido conferencias en México, Francia, Estados Unidos, Alemania y Japón, y mantiene colaboraciones con investigadores de Estados Unidos, Francia, Japón y Brasil.
Uno de sus más recientes proyectos es el desarrollo de amortiguadores granulares. La mayoría de la gente ha observado esas salidas de emergencia que se encuentran en las carreteras, cuya superficie está llena de arena. Se trata de amortiguadores granulares, ya que la materia granular (en este caso, arena o grava) es muy disipativa: si un auto impacta el medio granular se detiene, ya que todos los granos se mueven entre sí y disipan la energía rápidamente. “Si tienes vibración puedes disipar la energía utilizando un amortiguador granular”.
Así, algo tan ordinario a la vista, como la materia granular, es objeto de estudio. Marte está cubierto de arena, comprender su dinámica le permitirán al ser humano moverse con soltura por sus arenosos caminos.
