Un estudio inspirado en artistas callejeros que fabrican pompas de jabón gigantes condujo a un descubrimiento en la mecánica de fluidos: mezclar diferentes tamaños moleculares de polímeros en una solución aumenta la capacidad de una película delgada para estirarse sin romperse.
La revista Fluidos de revisión física se publicaron los resultados del estudio realizado por físicos de la Universidad de Emory. Los hallazgos podrían conducir a mejorar procesos como el flujo de aceites a través de tuberías industriales y la eliminación de espumas contaminantes en arroyos y ríos.
Los resultados también tienen implicaciones para los entusiastas de hacer burbujas en el patio trasero.
"Este estudio definitivamente pone la diversión en la ciencia fundamental", dice Justin Burton, profesor asociado de física en la Universidad de Emory y autor principal del artículo.
La dinámica de fluidos es uno de los enfoques del laboratorio de Burton. "Los procesos de dinámica de fluidos son visualmente hermosos y están en todas partes de nuestro planeta, desde la formación y ruptura de gotitas y burbujas hasta la aerodinámica de los aviones y el vuelco de las profundidades marinas.de los océanos del mundo ", dice.
Mientras Burton estaba en Barcelona para una conferencia hace unos años, vio a artistas callejeros haciendo grandes burbujas con una solución de jabón y un hilo de algodón grueso. "Estas burbujas tenían aproximadamente el diámetro de un hula hoop y tanto como un automóvil-de largo ", recuerda." También eran hermosos, con cambios de color de rojo a verde y tonos azulados en su superficie ".
Este efecto de arco iris muestra que el grosor de una película es comparable a la longitud de onda de la luz, o solo unas pocas micras, explica.
Ver la actuación provocó una pregunta de física en la mente de Burton: ¿Cómo podría una película tan microscópicamente delgada mantener su integridad a una distancia tan grande sin romperse? Comenzó a investigar, tanto en su patio trasero como en su laboratorio.
Mientras Burton investigaba recetas de burbujas, se encontró con Soap Bubble Wiki, un proyecto de código abierto en línea. La wiki afirma que su objetivo es ayudar a los "burbujeadores" a crear "la burbuja perfecta" al separar los hechos del folclore con respecto a la fabricación de pompas de jabón.recetas e ingredientes.
Además del agua y el líquido para lavar platos, las recetas de Soap Bubble Wiki generalmente incluían un polímero, una sustancia formada por largas cadenas de moléculas repetidas. Los polímeros más comunes en las recetas eran guar natural, un polvo que se usa como aditivo enalgunos alimentos, o polietilenglicol industrial PEO, un lubricante utilizado en algunos medicamentos. Guiado por las recomendaciones de la wiki, Burton realizó experimentos de laboratorio junto con dos coautores estudiantes que se graduaron: Stephen Frazier, quien recibió una maestría en física enMay y es el primer autor y el estudiante Xinyi Jiang.
"Básicamente empezamos a hacer burbujas y a hacerlas estallar, y registramos la velocidad y la dinámica de ese proceso", dice Burton. "Centrarse en un fluido en sus momentos más violentos puede decirle mucho sobre su física subyacente".
Las películas de jabón absorben la luz infrarroja, por lo que los investigadores la iluminaron a través de las burbujas para medir el grosor de las películas. También midieron los pesos moleculares de los diferentes polímeros que usaron en las recetas de burbujas. Y dejaron que la gravedad tirara de las gotas de los distintospelículas de jabón de una boquilla, para medir cuánto tiempo el hilo de líquido resultante podría estirarse entre la boquilla y la gota antes de romperse.
Los resultados revelaron que los polímeros eran el ingrediente clave para hacer burbujas colosales. Las hebras largas y fibrosas de polímeros permiten que las burbujas fluyan suavemente y se estiren más sin explotar.
"Las hebras de polímero se enredan, algo como una bola de pelo, formando hebras más largas que no quieren romperse", explica Burton. "En la combinación correcta, un polímero permite que una película de jabón alcance un 'punto óptimo' que esviscoso pero también elástico, pero no tan elástico que se rompa ".
El trabajo confirma lo que muchos expertos "burbujeadores" ya habían descubierto: una buena receta de pompas de jabón gigantes debería incluir un polímero.
"Hicimos la física para explicar por qué y cómo los polímeros pueden hacer que una película fluida se estire hasta 100 metros cuadrados sin romperse", dice Burton.
Los físicos también encontraron que variar los tamaños moleculares de los polímeros ayuda a fortalecer la película de jabón. Ese descubrimiento ocurrió por accidente.
Los investigadores trabajaron en el proyecto durante más de un año y almacenaron algunos contenedores de PEO que habían comprado. Se dieron cuenta de que el PEO de contenedores que habían envejecido alrededor de seis meses producía películas de pompas de jabón más fuertes en comparación con el PEO de los contenedores que se usaron por primera vezDespués de la investigación, se dieron cuenta de que los polímeros en el PEO envejecido se habían degradado con el tiempo, variando la longitud de las hebras moleculares.
"Los polímeros de diferentes tamaños se entrelazan aún más que los polímeros de un solo tamaño, fortaleciendo la elasticidad de la película", dice Burton. "Ese es un descubrimiento fundamental de la física".
Comprender cómo los fluidos y las películas delgadas responden a la tensión, dice Burton, podría conducir a una variedad de aplicaciones, como mejorar el flujo de materiales industriales a través de las tuberías o la limpieza de espumas tóxicas.
"Al igual que con todas las investigaciones fundamentales, tienes que seguir tus instintos y tu corazón", dice Burton sobre su odisea de pompas de jabón. "A veces, tu burbuja se revienta, pero en este caso, descubrimos algo interesante".
Receta de burbuja gigante
Burton recomienda la siguiente receta para hacer pompas de jabón gigantes. Sin embargo, advierte que los factores que no se pueden controlar fuera de un laboratorio, como los niveles de humedad, pueden alterar los resultados.
50 mililitros de detergente profesional Dawn, disponible en línea un poco más de 3 cucharadas
2-3 gramos de guar en polvo, vendido en muchas tiendas de comestibles aproximadamente ½ cucharadita colmada
50 mililitros de alcohol isopropílico un poco más de 3 cucharadas
2 gramos de levadura en polvo aproximadamente ½ cucharadita
Mezcle el polvo de guar con el alcohol y revuelva hasta que no queden grumos. Combine la suspensión de alcohol / guar con el agua y mezcle suavemente durante 10 minutos. Deje reposar un poco para que el guar se hidrate. Luego mezcle nuevamente. Agregue elpolvo de hornear y revuelva. Agregue el detergente y revuelva suavemente para evitar la formación de espuma.
Sumerja una varita de burbujas gigante con una cuerda fibrosa en la mezcla hasta que esté completamente sumergida. Retire lentamente la cuerda y agite la varita suavemente o sople la película de jabón. ¡Disfrute de la física de las pompas de jabón gigantes!
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Ciencias de la salud de Emory . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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