Rara vez hay tiempo para escribir sobre todas las historias científicas interesantes que se nos presentan. Por eso, este año, una vez más publicamos una serie especial de publicaciones de Doce días de Navidad, destacando una historia científica que pasó desapercibida en 2023, cada día desde el 25 de diciembre hasta el 5 de enero. Hoy: cómo aplicar fuerzas magnéticas al individuo » Las partículas de microrodillo estimulan el movimiento colectivo, produciendo algunos resultados bastante contrarios a la intuición.
Universidad de Lehigh
Intuitivamente entendemos que la arena que se vierte a través de un reloj de arena, por ejemplo, forma una ordenada pila en forma aproximada de pirámide en la parte inferior, en la que los granos cerca de la superficie fluyen sobre una base subyacente de partículas estacionarias. Las avalanchas y las dunas de arena exhiben una dinámica similar. Pero los científicos de la Universidad Lehigh en Pensilvania han descubierto que la aplicación de un par magnético puede en realidad hacer que partículas parecidas a la arena fluyan colectivamente cuesta arriba en un aparente desafío a la gravedad, según un artículo publicado en septiembre en la revista Nature Communications.
La arena es algo bastante fascinante desde el punto de vista de la física. Es un ejemplo de material granular, ya que actúa tanto como líquido como como sólido. La arena seca recogida en un balde se vierte como un fluido, pero puede soportar el peso de una roca colocada encima, como un sólido, aunque la roca sea técnicamente más densa que la arena. Así pues, la arena desafía todas esas ordenadas ecuaciones que describen diversas fases de la materia, y la transición de un «líquido» fluido a un «sólido» rígido se produce con bastante rapidez. Es como si los granos actuaran como individuos en forma fluida, pero fueran capaces de unirse repentinamente cuando se necesita solidaridad, logrando una extraña especie de efecto de «fuerza en los números».
Los físicos tampoco pueden predecir con precisión una avalancha. Esto se debe en parte a la gran cantidad de granos de arena que hay incluso en una pila pequeña, cada uno de los cuales interactuará simultáneamente con varios de sus granos vecinos inmediatos, y esos vecinos cambian de un momento a otro. Ni siquiera una supercomputadora puede rastrear los movimientos de granos individuales a lo largo del tiempo, por lo que la física del flujo en medios granulares sigue siendo un área vital de investigación.
¿Pero granos de arena que colectivamente fluyen cuesta arriba? Se trata de un comportamiento sencillamente extraño. El ingeniero de la Universidad de Lehigh, James Gilchrist, dirige el Laboratorio de Autoorganización y Mezcla de Partículas y se topó con este extraño fenómeno mientras experimentaba con «microrrodillos»: partículas de polímero recubiertas de óxido de hierro (un proceso llamado microencapsulación). Un día estaba girando un imán debajo de un vial de microrrodillos y notó que comenzaban a acumularse cuesta arriba. Naturalmente, él y sus colegas tuvieron que investigar más a fondo.
Para sus experimentos, Gilchrist et al. adjuntó imanes de neodimio a una rueda motorizada a intervalos de 90 grados, alternando los polos orientados hacia afuera. El aparato también incluía un portamuestras y un microscopio USB en una posición fija. Los microrrodillos se prepararon suspendiéndolos en un vial de vidrio que contenía etanol y usando un imán para separarlos del polvo o de cualquier partícula sin recubrimiento. Una vez que los microrrodillos estuvieron limpios, se secaron, se suspendieron en etanol fresco y se cargaron en el soporte de muestras. Un motor vibratorio agitó las muestras para producir lechos granulares aplanados y la rueda motorizada se puso en movimiento para aplicar un par magnético. Un gaussímetro midió la intensidad del campo magnético en relación con la orientación.
Flujo granular cuesta arriba de microrrodillos microrobóticos. Crédito: Universidad de Lehigh.
Los resultados: cada microrodillo comenzó a girar en respuesta al par magnético, creando pares que se formaron brevemente y luego se dividieron, y al aumentar la fuerza magnética aumentó la cohesión de las partículas. Esto, a su vez, dio a los microrrodillos más tracción y les permitió moverse más rápidamente, trabajando en conjunto para fluir cuesta arriba de manera contraintuitiva. En ausencia de ese par magnético, los espejos rodantes fluían cuesta abajo con normalidad. La acción inducida por el torque fue tan inesperada que los investigadores acuñaron un nuevo término para describirla: un «ángulo de reposo negativo» causado por un coeficiente de fricción negativo.
«Hasta ahora, nadie habría utilizado estos términos», dijo Gilchrist. “No existían. Pero para entender cómo estos granos fluyen cuesta arriba, calculamos cuáles son las tensiones que hacen que se muevan en esa dirección. Si tienes un ángulo de reposo negativo, entonces debes tener cohesión para dar un coeficiente de fricción negativo. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para considerar estas cosas, pero después de calcularlas, lo que resultó es un coeficiente de fricción aparente que es negativo”.
Es una prueba de principio intrigante que algún día podría conducir a nuevas formas de controlar cómo se mezclan o separan las sustancias, así como a posibles aplicaciones de microrrobótica en enjambre. Los científicos ya han comenzado a construir pequeñas escaleras con cortadores láser y a grabar en vídeo los microrrodillos que suben y bajan por las otras. Un microrodillo no puede superar la altura de cada escalón, pero muchos trabajando colectivamente pueden hacerlo, según Gilchrist.
DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (Acerca de los DOI).
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