Los ingenieros químicos de la Universidad de Illinois Chicago y UCLA han respondido preguntas de larga data sobre los procesos subyacentes que determinan el ciclo de vida de las espumas líquidas. El avance podría ayudar a mejorar la producción comercial y la aplicación de espumas en una amplia gama de industrias.

Los resultados de la investigación se presentaron este mes en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Las espumas son un fenómeno familiar en la vida cotidiana:mezclar jabones y detergentes en agua al lavar los platos, soplar burbujas con juguetes de agua jabonosa, sorbiendo la espuma de una taza de café con leche o batido de leche. Las espumas líquidas pueden ocurrir en una variedad de entornos naturales y artificiales. Si bien algunas espumas se producen de forma natural, como en cuerpos de agua que crean grandes flores oceánicas en las playas, otros surgen en procesos industriales. En recuperación y fermentación de aceite, por ejemplo, las espumas son un subproducto.

Siempre que se agite el agua con jabón, se forman espumas. En su mayoría son bolsas de gas separadas por películas delgadas de líquido que a menudo contienen pequeños agregados moleculares llamados micelas. Suciedad aceitosa, por ejemplo, se lava al esconderse en los núcleos de micelas que tienen fobia al agua. Además, La digestión de las grasas en nuestro cuerpo se basa en el papel de las micelas formadas por las sales biliares.

Tiempo extraordinario, las espumas se disipan a medida que se exprime el líquido dentro de las películas delgadas. Las moléculas de jabón y detergente que son por naturaleza anfifílicas (hidrófilas e hidrófobas) se agregan dentro del agua para formar micelas esféricas, con sus cabezas que miran hacia afuera siendo las colas hidrófilas y las colas fóbicas al agua que forman el núcleo.

"Las micelas son diminutas, pero influyente, no solo para limpiar y solubilizar moléculas amantes del aceite, sino también para afectar los flujos dentro de las películas de espuma, "dijo el co-investigador principal Vivek Sharma, profesor asociado de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de la UIC. Durante casi una década, ha seguido la cuestión de cómo y por qué la presencia de micelas conduce a un adelgazamiento gradual, o estratificación, dentro de películas de espuma ultrafinas y pompas de jabón.

Para resolver el rompecabezas, Sharma y sus colaboradores desarrollaron métodos de imagen avanzados que denominan protocolos IDIOM (microscopía óptica de imágenes digitales de interferometría) que se implementan con cámaras réflex digitales de lente única (DLSR) de alta velocidad. Descubrieron que las películas de espuma tienen un rico topografía en constante cambio, y las diferencias de espesor entre diferentes estratos son mucho mayores que el tamaño de las micelas.

"Utilizamos una técnica de precisión llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño para resolver la forma de las micelas, tamaños y densidades, "dijo el co-investigador principal Samanvaya Srivastava, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. "Descubrimos que el espesor de la película de espuma disminuye en saltos discretos, con cada salto correspondiente a la distancia exacta entre las micelas en la película líquida ".

El equipo también descubrió que la disposición de las micelas en las películas de espuma se rige principalmente por las interacciones iónicas entre las micelas. La atracción y repulsión electrostática entre los iones influye en el tiempo que las espumas permanecen estables y en cómo decae su estructura. Con estos hallazgos, los investigadores determinaron que simplemente midiendo el espesor de la película de espuma, que se puede lograr con una cámara DSLR utilizando los protocolos IDIOM, podrían caracterizar tanto las interacciones a nanoescala de micelas en líquidos como la estabilidad de las espumas.

En comparación con las técnicas anteriores que consumen más tiempo y son costosas, equipos personalizados, el nuevo método no solo es menos costoso, sino que también es más completo y eficiente.

"El conocimiento y la comprensión podrían ayudar en el desarrollo de nuevos productos, desde alimentos y cuidado personal hasta productos farmacéuticos, "dijeron los coautores principales del estudio, los estudiantes graduados Shang Gao de UCLA Samueli y Chrystian Ochoa de UIC. "También podría ayudar a los ingenieros a mejorar el control de las espumas en los procesos industriales".