Visualización de los resultados de la simulación para la alineación y deformación de las moléculas de polímero en el flujo de fluido viscoelástico alrededor de la burbuja. En el flujo de burbujas alrededor de la burbuja, las moléculas de polímero se alinean en la dirección circunferencial con el contorno de la interfaz de la burbuja. Al mismo tiempo, las moléculas en la parte superior de la burbuja se deforman. En el estado subcrítico (izquierda), las moléculas de polímero debajo del ecuador de la burbuja ya están relajadas y regresan a su estado relajado. En el estado supercrítico (derecha), la relajación tiene lugar esencialmente por debajo del ecuador de la burbuja. Crédito:Dieter Bothe, Matthias Niethammer - TU Darmstadt
¿Por qué las burbujas de gas grandes en los líquidos viscoelásticos (como las soluciones de polímeros y proteínas) aumentan mucho más rápido de lo esperado? Una pregunta abierta con gran relevancia para los procesos productivos industriales. Los investigadores de TU Graz y TU Darmstadt ahora han encontrado una explicación.
Se trata de un enigma conocido desde hace mucho tiempo entre los expertos y muy relevante en muchos procesos de producción industrial:un salto discontinuo en la velocidad de ascenso de las burbujas de gas en los llamados fluidos viscoelásticos. Los fluidos viscoelásticos son sustancias que combinan características de sustancias líquidas y elásticas. Muchos champús para el cabello son un ejemplo de esto. Si le das la vuelta a una botella de champú transparente, casi completamente llena, verás que el aire encerrado se eleva como una burbuja en una forma inusual. En muchos procesos industriales, estos líquidos se presentan como soluciones de polímeros y, a menudo, deben enriquecerse con oxígeno mediante gasificación. "Sabemos desde hace unos 60 años que la velocidad de ascenso de las burbujas de gas en los líquidos viscoelásticos experimenta un salto en un diámetro de burbuja crítico. La velocidad de las burbujas puede volverse repentinamente hasta diez veces más rápida. Esto juega un papel fundamental en el control gasificación de estos líquidos. Al mismo tiempo, no estaba claro qué estaba causando este aumento repentino en la velocidad", explica Günter Brenn del Instituto de Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor en TU Graz.
Con una combinación de simulación, experimentación y análisis teórico, los equipos de Günter Brenn en TU Graz y Dieter Bothe en TU Darmstadt ahora han resuelto el rompecabezas juntos. Descubrieron que la interacción de las moléculas de polímero con el flujo alrededor de las burbujas de gas conduce al extraño comportamiento de velocidad de las burbujas. Con este conocimiento, la entrada de oxígeno en estas soluciones ahora se puede predecir con mayor precisión, lo que significa que los equipos en biotecnología, ingeniería de procesos y la industria farmacéutica, por ejemplo, se pueden diseñar mejor. Los investigadores explican actualmente sus hallazgos en el Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.
Representación esquemática de dos burbujas ascendentes en un fluido viscoelástico, a la izquierda en estado subcrítico ya la derecha en estado supercrítico. Crédito:Matthias Niethammer - TU Darmstadt
Representación esquemática de las influencias esenciales del flujo de polímero en el comportamiento de ascenso de la burbuja. Crédito:Dieter Bothe - TU Darmstadt
Prefiere estado 'relajado'
Los polímeros a menudo consisten en moléculas enormes que interactúan de forma compleja con el líquido en el que se disuelven. Esta interacción hace que un líquido sea viscoelástico. ¿Qué provoca el salto de velocidad que presentan las burbujas de gas en estos líquidos a partir del diámetro crítico? Günter Brenn explica los últimos hallazgos:"El flujo alrededor de la burbuja hace que las moléculas de polímero disueltas se estiren. A las moléculas no les gusta especialmente este estado. Quieren volver al estado relajado y sin estirar lo antes posible". Si este retorno al estado relajado es más rápido que el transporte de las moléculas al ecuador de la burbuja, entonces la burbuja sigue siendo lenta. Si, por el contrario, el regreso al estado relajado toma más tiempo que el viaje al ecuador de las burbujas, entonces se libera una tensión en el fluido que "empuja" la burbuja. Esto conduce a una autoamplificación, ya que las moléculas de polímero subsiguientes se colocan debajo del ecuador y se relajan, descargando su energía elástica, liberando una "fuerza de propulsión".
Representación esquemática de las influencias esenciales del flujo de polímero en el comportamiento de ascenso de la burbuja. Crédito:Dieter Bothe - TU Darmstadt
Además de la alta relevancia práctica de este hallazgo, especialmente para las áreas de aplicación antes mencionadas, también hay consecuencias en la investigación básica. "Resultó que otra propiedad sorprendente del campo de flujo de estas soluciones se puede asignar a este mecanismo molecular que mostramos:a saber, la llamada 'estela negativa' de la burbuja de gas", dice Dieter Bothe, del grupo de trabajo de Análisis de el Departamento de Matemáticas de TU Darmstadt. Esta es un área en el campo de flujo debajo de la burbuja donde el fluido normalmente "sigue" la burbuja a baja velocidad. Sin embargo, con los líquidos poliméricos es al revés:allí, el movimiento del líquido está orientado en dirección opuesta al movimiento de la burbuja. Este movimiento fluido es causado por la misma tensión que "empuja" la burbuja. Esta comprensión puede conducir a posibilidades para controlar los procesos de flujo.
