Quien alguna vez haya derramado su café en la mesa habrá observado
que en el borde de la mancha, una vez se ha evaporado el líquido,
aparece un anillo de granitos de café.
La causa se publicó en 1997 en Nature, el flujo hacia afuera de las partículas de café suspendidas en el líquido mientras éste se evapora.
Hoy se publica en Nature un artículo que demuestra que este efecto
se podría evitar si las partículas de café fueran elipsoidales.
Supongo que te preguntarás para qué sirve estudiar cómo evitar el borde
de las manchas de café.
Según los autores, esta investigación básica tendrá aplicaciones tecnológicas en las impresoras por chorro de tinta y para lograr un recubrimiento uniforme de materiales mediante películas delgadas
(pinturas, lubricantes y otros recubrimientos).
No sé qué opinarás al respecto, pero en mi opinión dos artículos científicos sobre la formación de las manchas de café publicados en la prestigiosa revista Nature es todo un logro de marketing para los investigadores responsables de estos estudios. Nos lo cuenta Jan Vermant, “Fluid mechanics: When shape matters,” Nature 476: 286–287, 18 August 2011, que se hace eco del artículo técnico de Peter J. Yunker, Tim Still, Matthew A. Lohr, A. G. Yodh, “Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions,” Nature 476: 308–311, 18 August 2011.
El artículo publicado en Nature en 1997 es Deegan, R. D. et al., “Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops,
El mecanismo que explica la acumulación de los granitos de café en suspensión en el borde de la mancha es el siguiente.
El borde del líquido se adhiere a la superficie debido a su rugosidad, lo que provoca que el radio del menisco se mantenga constante mientras el líquido se evapora.
Conforme el líquido se evapora, la tensión superficial obliga a que nuevo líquido ocupe su lugar para mantener el radio del menisco constante. Este flujo desde el interior hacia el borde arrastra las partículas en suspensión que se acumulan en el borde de la mancha.
El resultado es el típico anillo de granitos de café en el borde de la mancha. Yunker et al. han demostrado en su artículo que si las partículas en suspensión son elipsoidales y se encuentran en la superficie del líquido,
se produce un aumento de la viscosidad superficial sobre la partícula debido a que la tensión superficial actúa de forma diferente en los “picos” de la partícula (donde su curvatura es mayor) que en su parte media
(donde la curvatura es casi nula).
El cambio local en la forma de la interfaz entre el líquido y el aire alrededor de la partícula elipsoidal produce fuerzas capilares cuyo efecto es bastante poderoso y de largo alcance, hasta el punto de que evita el flujo de estas partículas hacia el borde de la mancha. Para descubrirlo, Yunker et al. han observado mediante microscopios conectados a cámaras de vídeo
el comportamiento de pequeñas partículas de látex de poliestireno de pocos micrómetros, tanto esféricas como elipsoidales, en suspensiones acuosas
con concentraciones entre el 0,01% y el 20% en volumen.
Los autores han descubierto que la adición de una pequeña cantidad
de elipsoides (apenas un 0,015%) es suficiente para evitar la formación del anillo de partículas en el borde de la mancha. Además, la hipótesis de los autores sobre el efecto de la tensión superficial en la viscosidad ha sido verificada gracias a la adición de surfactantes (tensioactivos) en el líquido
que reducen el efecto de la tensión superficial.
Hay un podcast en Nature con una entrevista a Peter J. Yunker, estudiante
de doctorado y primer autor del artículo.
Según cuenta él es el responsable del descubrimiento casual que condujo
al artículo (mientras estudiaba cristales coloidales formados por partículas elipsoidales).
PS: El tema de las manchas de café parece que está de moda; también hay un artículo reciente en PRL. En concreto, Álvaro G. Marín, Hanneke Gelderblom, Detlef Lohse, Jacco H. Snoeijer, “Order-to-Disorder Transition in Ring-Shaped Colloidal Stains,” Phys. Rev. Lett. 107: 085502, August 15, 2011 [el artículo
es de acceso gratuito], que nos desglosa Greg Huber, “Rush hour in a drop of coffee,” Physics 4: 65, 2011.
vía. Nature
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