La investigación científica a menudo comienza con el "por qué".

Sin esperar hacer más que responder una pregunta planteada por un video de YouTube, Los investigadores de Virginia Tech pueden haber cambiado la forma en que las personas piensan sobre el proceso de congelación.

El investigador principal de Virginia Tech, Jonathan Boreyko, un profesor asistente de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería, y sus estudiantes investigadores estaban viendo un video de YouTube de una pompa de jabón congelada. La fascinante vista de los cristales de hielo flotando alrededor de la burbuja hizo que los ingenieros se preguntaran qué causó el fenómeno.

Boreyko y los estudiantes investigadores Farzad Ahmadi y Saurabh Nath, ambos estudiantes de posgrado en ingeniería mecánica, y Christian Kingett, un investigador de pregrado en ciencias de la ingeniería y mecánica que se graduó en 2019, realizó una investigación bibliográfica y descubrió que nadie había estudiado nunca cómo se congelan las películas o burbujas de jabón.

Los resultados de la consulta del equipo, que comenzó como un simple "por qué, "ha sido publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , explicando la física detrás de lo que hace que los cristales de hielo salten a la burbuja y se arremolinaran, cambiando así las percepciones sobre el proceso de congelación.

"Empezamos congelando una burbuja en el laboratorio, usando un sustrato congelado, "Explicó Boreyko." Lo que encontramos fue que la burbuja se congelaría desde el fondo hasta cierto punto y luego se detendría. No obtuvimos ese encantador 'efecto de bola de nieve' que vimos en el video. Pero, Farzad hizo un buen modelo que puede predecir con precisión dónde se detendrá el frente de congelación en función del tamaño de la burbuja y la temperatura del aire ".

Debido a que la cáscara de una burbuja es microscópicamente delgada, la temperatura del aire caliente en el laboratorio impidió que la etapa fría congelara completamente la burbuja. Mudarse a un congelador sin cita previa, el equipo volvió a intentar el experimento, creyendo que descubrirían cómo se formaron los cristales de hielo flotantes.

"No lo vimos en el congelador, cualquiera, en primer lugar, ", Dijo Boreyko." Pero intentamos de nuevo depositar la burbuja en hielo en lugar de un sustrato seco, y ahí es donde vimos lo que buscábamos ".

A menos 20 grados Celsius y usando un sustrato de hielo, la burbuja se llenó rápidamente de cristales flotantes que aceleraron la congelación completa de la burbuja, y abrió los ojos del investigador.

"Cuando depositas la burbuja sobre un sustrato helado, la burbuja comienza a congelarse, que libera calor, "dijo Ahmadi." El fondo de la burbuja, en este caso, se vuelve más cálido que el resto de la burbuja, es un calentamiento inducido por la congelación ".

La energía molecular que se libera cuando las moléculas de agua se fusionan en una red sólida y compacta crea una diferencia de temperatura de aproximadamente 14 grados, menos 20 en la parte superior de la burbuja y menos 6 grados en la base congelada.

"El gradiente de temperatura de arriba a abajo cambió la tensión superficial, "Ahmadi dijo." La tensión creó un flujo de lo caliente hacia el frío ".

Este flujo se conoce como flujo Marangoni. Cuando ocurre en las burbujas heladas, el flujo arranca los cristales de hielo del fondo de la burbuja y los hace girar alrededor de la capa líquida donde se agrandan hasta que toda la burbuja se congela.

"Anteriormente pensábamos que la rapidez con que podíamos congelar algo dependía de la rapidez con la que pudiera crecer el frente de congelación, ", Dijo Boreyko." Esto nos muestra que un flujo Maragoni inducido por la congelación creará cientos de frentes de congelación adicionales a partir de los cristales de hielo extraídos del fondo. Entonces, nos dimos cuenta de que no se trata solo de lo rápido que crece un frente, pero en casos como nuestra burbuja, se puede manipular el sistema para tener cientos de frentes de congelación trabajando juntos para congelar algo mucho más rápido ".