Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han desvelado la verdadera razón por la que el líquido se drena de las espumas, resolviendo un enigma científico de larga data. Los modelos físicos tradicionales han sobreestimado consistentemente la altura que debe tener una espuma antes de que comience a filtrarse el líquido. Al observar de cerca el comportamiento de la espuma, el equipo descubrió que el factor clave no es simplemente el movimiento del líquido a través de una estructura fija, sino la presión necesaria para reorganizar las burbujas. Este hallazgo subraya la importancia de los procesos dinámicos al estudiar materiales blandos.
Cualquiera que haya rociado espuma sobre una superficie probablemente haya notado la formación y el goteo de gotas desde la parte inferior. Esto ocurre porque la espuma está compuesta por burbujas estrechamente empaquetadas separadas por finas películas líquidas, creando una compleja red de vías. El líquido puede moverse a través de estas vías, ya sea drenando o siendo absorbido por la espuma cuando entra en contacto con ella. Los científicos han creído durante mucho tiempo que este proceso está controlado por el «límite de absorción», que depende de la «presión osmótica», una medida del cambio de energía cuando las burbujas se comprimen y cambia el área de contacto entre el líquido y el gas.
Por qué los modelos antiguos no coincidían con la realidad
Sin embargo, esta explicación no ha coincidido con lo que los investigadores observan en la vida real. Los cálculos basados en la presión osmótica sugieren que la espuma necesitaría tener aproximadamente un metro de altura antes de que comience a drenar. En la práctica, incluso las espumas de solo unas pocas decenas de centímetros de altura pueden filtrarse fácilmente. Esta brecha entre la teoría y la realidad ha desconcertado a los científicos durante años. Dado que las espumas se utilizan ampliamente en productos que van desde soluciones de limpieza hasta productos farmacéuticos, comprender su comportamiento es esencial para mejorar su rendimiento, como la creación de espumas que resistan el drenaje.
Experimentos revelan un patrón universal
El equipo de investigación, liderado por el profesor Rei Kurita, estudió sistemas de espuma simples creados utilizando diferentes tensioactivos para producir una variedad de tipos de espuma. Colocaron estas espumas entre placas transparentes y las posicionaron verticalmente, lo que les permitió observar directamente cómo se movía el líquido en su interior. Sus experimentos revelaron un patrón consistente: la altura a la que comienza el drenaje está inversamente relacionada con el contenido de líquido de la espuma, independientemente del tipo de tensioactivo o del tamaño de las burbujas. También calcularon una «presión osmótica efectiva» para este proceso, que resultó ser mucho menor de lo que predicen los cálculos basados en el tamaño de las burbujas y la tensión superficial.
El movimiento de las burbujas impulsa el goteo de la espuma
Para comprender mejor lo que estaba sucediendo, los investigadores grabaron videos dentro de la espuma. En el punto en que comienza el drenaje, vieron que el líquido no solo fluía a través de canales estáticos. En cambio, estaba provocando que las propias burbujas se desplazaran y se reorganizaran. Esto los llevó a identificar el «esfuerzo de fluencia» como el factor de control, que es la cantidad de presión necesaria para mover y reorganizar las burbujas. Su modelo, basado en esta idea, predice con precisión las alturas de espuma en las que se produce el drenaje.
Una nueva forma de entender los materiales blandos
Estos hallazgos cambian la forma en que los científicos piensan sobre el drenaje de la espuma. En lugar de ver la espuma como una estructura fija con líquido que fluye a través de ella, debe verse como un sistema dinámico donde la estructura misma puede cambiar. Los investigadores esperan que esta nueva perspectiva conduzca a una comprensión más profunda de los materiales blandos y ayude a guiar el diseño de productos mejorados a base de espuma.
Este trabajo fue apoyado por la beca JSPS KAKENHI Número 20H01874.
