Descubren el secreto de caminar sobre el agua

Algunas suspensiones de partículas, como granos de almidón en el agua, o líquidos en reposo, se vuelven sólidos bruscamente cuando son sometidos a un flujo rápido o a un choque. Este comportamiento extraño permite, por ejemplo, “caminar sobre el agua” o concebir vestidos ligeros, pero muy resistentes en caso de choque.

Un caso conocido: mezclando agua tibia y maicena (harina de fécula de maíz), esta mezcla da lugar a una sustancia extraña, que es más sólida que líquida. Cuando se presiona con un dedo, se hunde. Pero si se pisa con fuerza, se vuelve impenetrable. De esta forma, es posible caminar sobre esta suspensión, que es como caminar sobre el agua. Su comportamiento es el de un fluido no newtoniano.

Ahora, investigadores franceses han demostrado experimentalmente que este comportamiento se produce porque no sólo las partículas chocan entre sí, sino también porque en el proceso intervienen fuerzas repulsivas de corto alcance (de origen electroestático o físico-químico) que permiten  el rápido cambio de un líquido a sólido en determinadas circunstancias, según informa el CNRS en un comunicado.

La explicación de por qué algunos fluidos pueden convertirse sólidos rápidamente ha sido desconocida hasta ahora. Las investigaciones sobre estos fenómenos han dado lugar a la reología, rama de la física de medios continuos que se dedica al estudio de la deformación y el fluir de la materia.

Modelo de referencia

Los investigadores de este estudio se apoyaron en un modelo teórico según el cual, las partículas de una suspensión de estas características se mantienen a distancia cuando reciben una presión débil (por ejemplo, presionar con el dedo) y en presencia de fuerzas repulsivas de corto alcance.

Esta ausencia de contacto sólido hace que las partículas no se rocen unas con otras y la suspensión entonces fluye como un líquido. Sin embargo, cuando se produce un choque (por ejemplo, el fluido se pisa con fuerza), las partículas entonces se unen entre sí y producen un medio muy disipativo: la suspensión se transforma en sólida. Se puede “caminar sobre el agua”.

Los investigadores han demostrado que las partículas en el seno de los fluidos de estas características se comportan realmente según este modelo, y lo han testado asimismo en un modelo de partículas de silicio obteniendo el mismo resultado: si se disminuye la presión de la fuerza repulsiva (que mantiene separadas a las partículas), el estado líquido desaparece y la suspensión se vuelve sólida.

Estos resultados, que vinculan por primera vez las propiedades microscópicas de superficie, la fricción y el comportamiento reológico macroscópico de las suspensiones, confirman que el proceso que lleva a una suspensión a volverse sólida es el resultado de una transición friccional.

Aplicaciones innovadoras

El descubrimiento del papel crucial de la fricción en las suspensiones permitirá comprender y mejorar la formulación de los cementos modernos, que incorporan polímeros para controlar sus propiedades de endurecimiento. Con este sistema se pueden conseguir cementos más resistentes y densos que los actuales.

Más generalmente, este avance contribuirá a la formulación de suspensiones con propiedades reológicas controladas, con aplicaciones médicas o deportivas como férulas que permiten movimientos lentos, pero protectoras en caso de choque.

Otras aplicaciones posibles, la fabricación de chalecos antibalas más ligeros dotados de gránulos con capacidad dilatante, para hacerlos resistentes incluso a las armas blancas.

Con este sistema también pueden construirse trajes de motoristas más ligeros que se vuelven rígidos por el impacto de un choque, protegiendo así el cuerpo del piloto.

Referencia

Revealing the frictional transition in shear-thickening suspensión. PNAS, vol. 114 no. 20,  5147–5152, doi: 10.1073/pnas.1703926114