Preguntándose sobre el agua derramada
Cuando derramas una bebida sobre una mesa, el líquido se esparce y luego se detiene, dejando un charco con un borde nítido. Sin embargo, las fórmulas que usan los científicos para describir un flujo de fluido de este tipo dicen que el agua debería seguir extendiéndose sin cesar. Todo el mundo sabe que ese no es el caso, pero ¿por qué? Comprender la respuesta es esencial para procesos que van desde la lubricación de engranajes hasta el secuestro de dióxido de carbono.
Rubén Juanes, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental, junto con el estudiante graduado Amir Pahlavan, el investigador asociado Luis Cueto-Felgueroso y el profesor de ingeniería mecánica Gareth McKinley, PhD '91, descubrieron recientemente la respuesta a este enigma de larga data.
El modelo clásico de película delgada describe la expansión de una película líquida, pero no predice que se detenga, dice Pahlavan. Resulta que el problema es de escala: lo que en realidad detiene el charco son fuerzas que solo actúan a nanoescala, explica. Y aunque estas fuerzas son minúsculas, su efecto cambia el comportamiento del líquido de una manera que es obvia a una escala mucho mayor.
Estas fuerzas intermoleculares, que disminuyen bruscamente con la distancia, solo juegan un papel en los objetos que están muy cerca unos de otros. Cerca del borde de un charco, la película de líquido se vuelve extremadamente delgada y las superficies superior e inferior casi se tocan. Allí, las interfaces líquido-sólido y líquido-aire están lo suficientemente cerca como para que las fuerzas intermoleculares las afecten. Estas son las fuerzas intermoleculares que faltan en la descripción macroscópica, dice Pahlavan. Si bien se sabía que era necesario tener en cuenta estas fuerzas, los modelos propuestos anteriormente no habían logrado coincidir de manera consistente con las observaciones experimentales. Al tener en cuenta la modificación a nanoescala de la tensión superficial cerca del borde del charco, el modelo de los investigadores del MIT resuelve muchas de las inconsistencias de los modelos anteriores.
Los principios involucrados afectan muchas otras situaciones en las que la capacidad de calcular cómo se comportará un fluido puede tener consecuencias importantes, desde la lubricación hasta los sistemas de enfriamiento. Por ejemplo, para el secuestro de carbono (retirar el dióxido de carbono de las emisiones de combustibles fósiles e inyectarlo en formaciones subterráneas), comprender cómo se propagará el fluido a través de los poros de la roca es esencial para predecir qué tan estable puede ser este tipo de almacenamiento.
Empiezas con algo muy simple, como la extensión de un charco, pero llegas a algo muy fundamental sobre las fuerzas intermoleculares, dice Juanes. El mismo proceso, la misma física, estará en juego en muchos flujos complejos.
