La investigación científica a menudo comienza con el "por qué"
Sin esperar hacer más que responder una pregunta planteada en un video de YouTube, los investigadores de Virginia Tech pueden haber cambiado la forma en que las personas piensan sobre el proceso de congelación.
Jonathan Boreyko, investigador principal de Virginia Tech, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería, y sus estudiantes investigadores estaban viendo un video de YouTube de una burbuja de jabón congelada. La fascinante visión de los cristales de hielo flotando alrededor de la burbuja hizo que los ingenieros se preguntaranqué causó el fenómeno.
Boreyko y los investigadores estudiantiles Farzad Ahmadi y Saurabh Nath, ambos estudiantes graduados en mecánica de ingeniería, y Christian Kingett, un investigador universitario en ciencias de la ingeniería y mecánica que se graduó en 2019, realizaron investigaciones literarias y descubrieron que nadie había estudiado cómo las películas de jabóno las burbujas se congelan.
Los resultados de la consulta del equipo, que comenzó como un simple "por qué", se han publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , explicando la física detrás de lo que hace que los cristales de hielo salten a la burbuja y giren, cambiando así las percepciones sobre el proceso de congelación.
"Comenzamos congelando una burbuja en el laboratorio, usando un sustrato congelado", explicó Boreyko. "Lo que descubrimos fue que la burbuja se congelaría desde el fondo hasta cierto punto y luego se detendría. No obtuvimos ese encanto'efecto globo de nieve' que vimos en el video. Pero, Farzad hizo un buen modelo que puede predecir con precisión dónde se detendrá el frente de congelación en función del tamaño de la burbuja y la temperatura del aire ".
Debido a que el caparazón de una burbuja es microscópicamente delgado, la temperatura del aire caliente en el laboratorio impidió que la etapa fría congelara por completo la burbuja. Al pasar a un congelador, el equipo intentó el experimento nuevamente, creyendo que descubrirían cómose formaron cristales de hielo flotantes.
"Al principio tampoco lo vimos en el congelador", dijo Boreyko. "Pero intentamos nuevamente depositar la burbuja en hielo en lugar de un sustrato seco, y ahí es donde vimos lo que estábamos buscando."
A menos 20 grados centígrados y usando un sustrato de hielo, la burbuja se llenó rápidamente con cristales flotantes que aceleraron la congelación completa de la burbuja y abrieron los ojos del investigador.
"Cuando deposita la burbuja sobre un sustrato helado, la burbuja comienza a congelarse, lo que libera calor", dijo Ahmadi. "El fondo de la burbuja, en este caso, se vuelve más cálido que el resto de la burbuja; se está congelando-calentamiento inducido "
La energía molecular se libera cuando las moléculas de agua se fusionan en una celosía sólida compacta que crea una diferencia de temperatura de aproximadamente 14 grados, menos 20 en la parte superior de la burbuja y menos 6 grados en la base congelada.
"El gradiente de temperatura de arriba a abajo cambió la tensión superficial", dijo Ahmadi. "La tensión creó un flujo del calor al frío".
Este flujo se conoce como Flujo de Marangoni. Cuando ocurre en las burbujas de congelación, el flujo rasga los cristales de hielo desde el fondo de la burbuja y los hace girar alrededor de la capa de líquido donde se agrandan hasta que toda la burbuja se congela.
"Anteriormente pensábamos que la rapidez con la que podíamos congelar algo dependía de la rapidez con que creciera el frente de congelación", dijo Boreyko. "Esto nos muestra que un flujo de Maragoni inducido por congelación creará cientos de frentes de congelación adicionales a partir de los cristales de hielo eliminadosdesde abajo. Entonces, nos dimos cuenta de que no solo se trata de lo rápido que crece un frente, sino que en casos como nuestra burbuja, puedes manipular el sistema para que tenga cientos de frentes congelados trabajando juntos para congelar algo mucho más rápido ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Original escrito por Rosaire Bushey. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :