Un cambio de paradigma en la dinámica de fluidos
ZÚRICH – Durante siglos, la distinción fundamental entre sólidos y líquidos ha sido clara: los sólidos se rompen, los líquidos fluyen. Pero un descubrimiento innovador realizado por investigadores del Instituto Politécnico de Zúrich (ZPI) desafía este principio fundamental. En una serie de experimentos meticulosamente controlados, los científicos han observado que líquidos ordinarios, cuando se los somete a fuerzas específicas, se rompen con la fractura repentina y aguda típicamente asociada con los materiales sólidos.
Publicados esta semana en la prestigiosa revista Nature Physics, los hallazgos trastocan las suposiciones arraigadas sobre la mecánica de fluidos. La Dra. Lena Petrova, autora principal y profesora de ciencia de materiales en ZPI, describe el fenómeno como sorprendente y profundamente significativo. "Siempre hemos entendido que los líquidos se diluyen, se estiran y eventualmente se separan en gotas o corrientes bajo tensión", explicó la Dra. Petrova en una conferencia de prensa el martes. "Ver un líquido dividirse repentinamente, casi instantáneamente, como si fuera un trozo de plástico o metal quebradizo, nos obliga a repensar por completo la dinámica interna de estas sustancias cotidianas".
Revelando la fractura oculta de un líquido
El equipo de ZPI logró esta observación sin precedentes utilizando un reómetro hecho a medida junto con una cámara de ultra alta velocidad, capaz de capturar eventos a 100.000 fotogramas por segundo. Se centraron en líquidos muy viscosos, específicamente una mezcla patentada de poli(dimetilsiloxano) y un aceite de silicona de alto peso molecular con una viscosidad superior a 100.000 centistokes (cSt). Los líquidos se introdujeron en canales de microfluidos de sólo 50 micrómetros de ancho y se sometieron a fuerzas de tracción que aumentaban rápidamente, superando los 100 kilopascales (kPa).
“Lo que vimos no fue el estrechamiento y el adelgazamiento gradual que esperábamos”, explicó la Dra. Petrova, mostrando un vídeo en cámara lenta. "En cambio, en un punto de tensión crítico, una línea de fractura limpia se propagó a través del líquido, creando dos superficies distintas y claramente definidas. Fue increíblemente preciso, casi quirúrgico". La fractura se produjo en apenas microsegundos, sin dejar tiempo para que el líquido se deformara o fluyera en el sentido convencional. Esta rápida separación imita fuertemente la fractura frágil que se observa en los sólidos, donde los enlaces se rompen a lo largo de un plano en lugar de estirarse y reorganizarse.
La torsión viscosa: desafiando viejos paradigmas
Crucialmente, el equipo de ZPI determinó que este comportamiento de ruptura no está impulsado por la elasticidad, como podría suponerse intuitivamente. La elasticidad es la capacidad de un material para volver a su forma original después de haber sido deformado, una propiedad más comúnmente asociada con sólidos gomosos o fluidos viscoelásticos que exhiben características tanto líquidas como sólidas. En cambio, la investigación de la Dra. Petrova apunta a la viscosidad (la resistencia de un líquido a fluir) como el factor principal.
"Nuestros modelos sugieren que en estos líquidos altamente viscosos, bajo un estiramiento rápido e intenso, la fricción molecular interna y el entrelazamiento aumentan la tensión más rápido de lo que las moléculas pueden reorganizarse al fluir", afirmó el Dr. Kai Bergman, coautor y físico teórico del proyecto. "Esencialmente, el líquido se 'atasca' a nivel molecular, y cuando la fuerza se vuelve demasiado grande, la estructura falla catastróficamente, lo que lleva a una fractura en lugar de una separación suave. Es una falla frágil impulsada por la viscosidad, un concepto que antes se pensaba imposible para los líquidos verdaderos". Este hallazgo desafía fundamentalmente la comprensión clásica de la mecánica de fluidos, que predice en gran medida la deformación continua y el flujo bajo tensión.
Más allá del laboratorio: implicaciones en el mundo real
Las implicaciones de este descubrimiento se extienden mucho más allá de los límites de un laboratorio de investigación. Industrias que van desde la fabricación avanzada hasta la ingeniería biomédica podrían experimentar cambios significativos en la forma en que manejan y procesan los materiales. Por ejemplo, los procesos que implican la extrusión de polímeros altamente viscosos, la aplicación de recubrimientos especializados o incluso la impresión 3D de precisión con resinas líquidas podrían optimizarse o rediseñarse con esta nueva comprensión.
“Imagínese un escenario en microfluidos donde es necesario separar con precisión un pequeño volumen de líquido sin ningún hilo residual, o en la fabricación aditiva donde controlar el punto de ruptura exacto de un chorro de polímero podría conducir a una resolución sin precedentes”, sugirió la Dra. Petrova. "Esto también abre nuevas vías para comprender los fenómenos naturales, como el comportamiento del magma bajo presión extrema o la dinámica de ciertos fluidos biológicos". La capacidad de predecir y potencialmente controlar esta fractura líquida podría conducir al desarrollo de nuevos materiales con propiedades de rotura adaptadas o procesos industriales más eficientes.
El camino a seguir para la dinámica de fluidos
El equipo de ZPI ahora está ampliando su investigación para investigar una gama más amplia de líquidos, incluidas suspensiones y emulsiones complejas, y para explorar los efectos de la temperatura y la presión sobre este fenómeno de fractura. También planean desarrollar modelos teóricos más sofisticados para capturar completamente las intrincadas interacciones moleculares en juego. Este descubrimiento marca un hito importante, que insta a los científicos a revisar las teorías fundamentales de la materia y que potencialmente conduce a una nueva clase de ingeniería de materiales.
