Sucede fuera de su ventana cada vez que llueve:el suelo se moja y puede formar barro pegajoso. Luego se seca. Más tarde podría volver a llover. Cada humectación y rehumectación afecta la estructura y estabilidad del suelo. Estos cambios se tienen en cuenta cuando, por ejemplo, diseño de arquitectos e ingenieros, sitio, y construir edificios. Pero de manera más amplia, la ciencia de cómo las partículas se unen y luego se separan toca campos tan diversos como los peligros naturales, fertilización de cultivos, producción de cemento, y diseño farmacéutico.

Uniendo estos campos dispares, un equipo de la Universidad de Pensilvania descubrió que cuando las partículas se mojan y luego se dejan secar, el tamaño de esas partículas tiene mucho que ver con la fuerza con que se pegan entre sí y si permanecen juntas o se deshacen la próxima vez que se humedecen.

¿Qué le da fuerza a estos agregados pegajosos? el equipo encontró, son puentes delgados que se forman cuando las partículas del material se suspenden en un líquido y luego se dejan secar, dejando finas hebras de partículas que conectan grupos más grandes. Las hebras, que los investigadores llaman puentes sólidos, aumentar la estabilidad de los agregados de 10 a 100 veces.

Los investigadores informaron sus hallazgos en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Este fenómeno de puentes sólidos puede ser omnipresente e importante para comprender la fuerza y ​​la erosionabilidad de los suelos naturales, "dice Paulo Arratia, un ingeniero en mecánica de fluidos en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, y coautor del estudio.

"Descubrimos que el tamaño de una partícula puede superar la contribución de sus propiedades químicas cuando se trata de determinar con qué fuerza se adhiere a otras partículas, "agrega Douglas Jerolmack, un geofísico de la Facultad de Artes y Ciencias y autor correspondiente del artículo.

El equipo de investigación fue dirigido por Ali Seiphoori, anteriormente un postdoctorado en el laboratorio de Jerolmack y ahora en el MIT, e incluyó al postdoctorado en física Xiao-guang Ma. El trabajo actual surgió de las investigaciones que habían estado realizando en conjunto con la Facultad de Medicina Perelman de Penn sobre el asbesto, específicamente cómo sus fibras en forma de aguja se adhieren entre sí y a otros materiales para formar agregados. Eso los hizo pensar de manera más general sobre lo que determina la fuerza y ​​la estabilidad de un agregado.

El grupo adoptó un enfoque experimental para responder a esta pregunta mediante la creación de un modelo simple de agregación de partículas. Suspendieron esferas de vidrio de dos tamaños, 3 micrones y 20 micrones, en una gota de agua. (Para referencia, un cabello humano tiene aproximadamente de 50 a 100 micrones de ancho). los bordes de la gota se retiraron, arrastrando las partículas hacia adentro. Finalmente, la gota de agua que se encoge se transformó en múltiples gotas más pequeñas conectadas por un delgado puente de agua, conocido como puente capilar, antes de eso también se evaporó.

El equipo descubrió que las presiones de succión extremas causadas por la evaporación unían las partículas pequeñas con tanta fuerza que se fusionaban en los puentes capilares. dejando tras de sí puentes sólidos entre las partículas más grandes, a la que también se unieron, una vez que el agua se evaporó por completo.

Cuando el equipo rehumedezca las partículas, aplicando agua en un flujo controlado, encontraron que los agregados compuestos únicamente por partículas de 20 micrones eran mucho más fáciles de romper y resuspender que los compuestos por partículas más pequeñas, o mezclas de partículas pequeñas y más grandes.

"Descubrimos que si los agregados compuestos únicamente por partículas mayores de 5 micrones se rehumedecían, ellos colapsaron, "Dice Jerolmack." Pero menos de 5 micrones, no pasa nada, los agregados se mantuvieron estables ".

En pruebas adicionales con mezclas de partículas de cuatro tamaños diferentes, que imitan más de cerca la composición natural del suelo, los investigadores encontraron que el mismo efecto de puente ocurre a diferentes escalas:las partículas más grandes fueron puenteadas por la segunda más grande, que a su vez fueron puenteados por el tercero más grande, que a su vez fueron estabilizados por puentes de las partículas más pequeñas. Incluso las mezclas que contenían solo una pequeña fracción de partículas más pequeñas se volvieron más estables gracias a la formación de puentes sólidos.

¿Cuánto más estable? Descubrir, Seiphoori pegó minuciosamente la sonda de un microscopio de fuerza atómica a una sola partícula, déjalo reposar, y luego cuantificó la "fuerza de arranque" requerida para eliminar esa partícula del agregado. Repitiendo esto para partículas en agregados de partículas grandes y pequeñas, encontraron que las partículas eran de 10 a 100 veces más difíciles de arrancar cuando habían formado una estructura de puente sólida que en otras configuraciones.

Para convencerse a sí mismos de que lo mismo sucedería con los materiales además de sus perlas de vidrio experimentales, realizaron experimentos similares utilizando dos tipos de arcilla que son componentes comunes de los suelos naturales. Los principios se mantuvieron:las partículas de arcilla más pequeñas y la presencia de puentes sólidos hicieron que los agregados fueran estables. Y lo contrario también fue cierto:cuando las partículas de arcilla de menos de 5 micrones se eliminaron de las suspensiones, sus agregados resultantes perdieron cohesión.

"Se cree que los suelos arcillosos son fundamentalmente cohesivos, "dice Jerolmack, "y esa cohesión generalmente se ha atribuido a su carga o alguna otra propiedad mineralógica. Pero encontramos esta cosa muy sorprendente de que no parecen ser las propiedades fundamentales de la arcilla las que la hacen pegajosa, sino más bien el hecho de que las partículas de arcilla tienden a ser muy pequeñas. Es una explicación completamente nueva de la cohesión ".

Estos nuevos conocimientos sobre la contribución del tamaño de partícula a la estabilidad de los agregados abren nuevas posibilidades para considerar cómo mejorar la estabilidad de materiales como el suelo o el cemento cuando se desee. "Podría imaginarse la estabilización de suelos antes de un proyecto de construcción agregando partículas más pequeñas que ayuden a unir el suelo, "Dice Jerolmack.

Además, la producción de una variedad de materiales, desde dispositivos médicos hasta revestimientos de pantallas LED, se basa en la deposición de película fina, que, según los investigadores, podría beneficiarse de la producción controlada de agregados que observaron en sus experimentos.