Simulan en laborario cómo empiezan a formarse los planetas

Los físicos han observado directamente, por primera vez, cómo partículas muy cargadas del tamaño de polvo atraen y capturan a otras para construir racimos partícula a partícula. Este proceso puede conducir a la formación de "moléculas granulares" cuyas configuraciones se asemejan a las de las moléculas químicas simples.

Estas interacciones son de fundamental importancia en situaciones que van desde la coagulación de contaminantes en el aire a la agrupación de polvo en el espacio interestelar. Sin embargo, una visión completa de cómo contribuyen las interacciones electrostáticas a la agregación de partículas ha sido difícil de conseguir, debido principalmente a la ausencia de experimentos directos, in situ.

En un artículo reciente publicado en la revista Nature Physics, un equipo de investigación de la Universidad de Chicago (EE.UU.) ha demostrado cómo resolver este problema de forma experimental. Encabezando el proyecto está Victor Lee, un estudiante de posgrado de física, junto con los doctores Scott Waitukaitis y Marc Miskin, y el profesor Heinrich Jaeger.

Usando una corriente de partículas en caída libre para crear un entorno de baja gravedad y siguiendo a la corriente con una cámara de vídeo de alta velocidad cayendo junto a ella, el equipo observó cómo los granos cargados pueden seguir, en sus interacciones electrostáticas, trayectorias atractivas, así como repulsivas, similares a las órbitas planetarias.

Los resultados del equipo destacan la importancia de los efectos de polarización en la captura y la agregación de granos a través de múltiples colisiones.

"Esto puede tener implicaciones para las primeras etapas de la formación de planetas, que se cree que comienza a través de colisiones entre granos de polvo interestelar", dice Jaeger en la nota de prensa de la universidad. "Las colisiones individuales frontales normalmente no disipan la energía suficiente para dar lugar a que se adhieran."

Los científicos siempre han especulado que las interacciones electrostáticas podrían ayudar a que las partículas que chocan se peguen unas a otras en lugar de volar a pedazos. Ahora, el equipo de Chicago ha observado en detalle, por primera vez, el crecimiento acumulativo mediante la sucesiva captura de partículas individuales a través de interacciones electrostáticas de largo alcance.

Cálculos

En un trabajo relacionado, un equipo dirigido por Karl Freed, profesor emérito de Química de la Universidad de Chicago, y Juan de Pablo, profesor de Ingeniería Molecular, acaba de completar los cálculos que pueden explicar algunas de las configuraciones de "moléculas granulares" que Lee y sus co-autores ven en sus experimentos.

"Una cosa que su artículo deja claro es que los efectos que pudimos rastrear directamente con el material granular tienen una importancia de gran alcance para partículas mucho más pequeñas, incluyendo coloides, nanopartículas y moléculas", dice Jaeger.

Además, su teoría tiene aplicaciones en áreas extensas de la biofísica, la ciencia de materiales, las soluciones iónicas, el funcionamiento de las baterías, la termodinámica de soluciones iónicas, y la descripción de emparejamiento de iones, procesos electroquímicos, el plegado y la unión de proteínas y ácidos nucleicos, entre otros ámbitos.

Referencias bibliográficas:

Victor Lee, Scott R. Waitukaitis, Marc Z. Miskin y Heinrich M. Jaeger: Direct observation of particle interactions and clustering in charged granular streams. Nature Physics (2015). doi:10.1038/nphys3396.

Karl F. Freed: Perturbative Many-body Expansion for Electrostatic Energy and Field for System of Polarizable Charged Spherical Ions in a Dielectric Medium. Journal of Chemical Physics (2014). Doi: 10.1063/1.4890077.

Jian Qin, Jiyuan Li, Victor Lee, Heinrich Jaeger, Juan J. de Pablo, y Karl F. Freed: Polarization effects on stability of many-body clusters of dielectric spheres. En preparación.