Expertos de la Hispalense producen de forma controlada partículas y gotas a pequeña escala
Este trabajo, publicado recientemente en la revista 'Nature Physics', ha sido dirigido por Alfonso Gañán, catedrático de la Universidad de Sevilla y responsable del grupo de investigación en 'Microfluídica' de la Escuela Superior de Ingenieros. Gañán lleva diez años investigando la obtención de estructuras microscópicas (microgotas, microburbujas, microesferas, microcápsulas o microfibras) de forma reproducible y controlada usando medios mecánicos.
En el transcurso de la investigación, el grupo de la Hispalense descubrió un método para producir gotas de manera controlada; es decir, eligiendo su tamaño y estructura, sin necesidad de utilizar electricidad, único medio conocido para hacerlo de manera continua y eficiente. Al nuevo método lo llamó 'flow focusing' (enfocando el fluido), una tecnología mecánica que utiliza una 'lente fluídica' sobre una corriente de fluido para que se produzca el enfoque necesario y la generación de partículas microscópicas.
Tensión superficial
La prestigiosa revista Nature Physics, del grupo Nature, ha publicado recientemente un artículo de este grupo de investigación en el que se describe por primera vez la producción de chorros capilares continuos de tamaños nanométricos mediante fuerzas puramente mecánicas.
Este descubrimiento resulta contrario a la intuición ya que la 'tensión superficial' que aparece entre dos fluidos inmiscibles (como el aceite y el agua, o el agua y el aire) realiza unas fuerzas potentísimas en contra de la corriente cuando los tamaños de los chorros están por debajo de la micra.
Este grupo de investigación ha conseguido emplear de manera ingeniosa otra propiedad de los fluidos, la viscosidad, encontrando un atajo único para burlar la fuerza de la tensión superficial, que hasta ahora representaba una barrera insalvable para cualquier procedimiento mecánico.
Para que dos fluidos no se mezclen tiene que aparecer una propiedad en la superficie de separación entre ambos que se llama tensión superficial. 'La tensión superficial explica, por ejemplo, por qué una gota que está colgando de un grifo no se mezcla con el aire.
Aunque se traduce en una fuerza, la tensión superficial es en realidad una energía contenida en la superficie que confina a la gota como si fuese una membrana', aclara Alfonso Gañán. La tensión superficial provoca que haya más presión dentro de una gota que fuera. A menor tamaño de la gota, mayor presión habrá en el interior. 'Si tenemos un chorro muy fino tendremos una presión enorme en su interior", añade.
Esta presión crea un conflicto a la hora de querer hacer gotas pequeñas ya que actúa en contra de la corriente. Para compensar esto, tendremos que suministrar una gran cantidad de energía mecánica por unidad de volumen al líquido. Lo conseguimos alargando mucho el chorro en relación con su diámetro (muy pequeño) y haciendo que roce durante una longitud larga.
Gotas nanométricas
Esto puede conseguirse mediante la viscosidad del fluido exterior, si éste fluye en la dirección y velocidad apropiada. Una vez el chorro ha sido suficientemente 'estirado' por la corriente viscosa exterior, hasta el tamaño deseado que puede ser incluso nanométrico, llega un momento en el que empieza a romperse en gotas. De nuevo, este tránsito está limitado por la tensión superficial, pero como las gotas resultantes tienen un tamaño parecido al chorro del que provienen, llegan a formarse gotas nanométricas', indica el catedrático de la Hispalense.
Por debajo de un cierto tamaño y dependiendo del valor de la tensión superficial, no se podían hacer gotas más pequeñas. Investigando en este fenómeno del transito del chorro al goteo, Alfonso Gañán ha descubierto que cuando el fluido exterior que enfoca al chorro es suficientemente viscoso y su velocidad es la apropiada, si disminuye el caudal que se inyecta para hacer este hilo fluídico, no se produce goteo.
Por el contrario, el chorro se estira hasta tamaños inverosímiles. Se sabe que sigue habiendo un chorro ya que no salen gotas de tamaño grande; lo único que se aprecia es una punta y un incipiente chorro microscópico que emana de ella. Al estudiarlo se comprobó matemáticamente que, aunque no pueda verse a simple vista, con una 'lupa matemática' (o modelo matemático) podía demostrarse su existencia.
"En efecto, hemos descrito consistentemente con un modelo matemático este paradigma, que llamamos en inglés 'Unconditional Jetting' (Chorreo Incondicional)', aclara Alfonso Gañán.
Así, velocidad, viscosidad y tensión superficial controlan el que se pueda conseguir un fenómeno sin goteo, con lo que poder conseguir un chorro tan pequeño como se quiera. 'Hemos conseguido hacer gotas de mercurio, material con muchísima tensión superficial, por debajo de una micra, algo que parecía imposible. También hemos logrado producir gotas y burbujas de toda clase de tintas y siliconas basándonos siempre en esta propiedad', apunta el investigador de la Universidad de Sevilla.
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