El descubrimiento científico no siempre requiere un laboratorio de alta tecnología o un presupuesto considerable. Muchas personas tienen un laboratorio de primer nivel en sus propios hogares:su cocina.
La cocina ofrece muchas oportunidades para ver y explorar lo que los físicos llaman materia blanda y fluidos complejos. Los fenómenos cotidianos, como los Cheerios agrupados en la leche o los anillos que quedan cuando las gotas de café se evaporan, han llevado a descubrimientos en la intersección de la física y la química y a otras colaboraciones de buen gusto entre científicos de alimentos y físicos.
Dos estudiantes, Sam Christianson y Carsen Grote, y yo publicamos un nuevo estudio en Nature Communications. en mayo de 2024 que se sumerge en otra observación de la cocina. Estudiamos cómo los objetos pueden levitar en fluidos carbonatados, un fenómeno al que se hace referencia caprichosamente como pasas danzantes.
El estudio exploró cómo objetos como las pasas pueden moverse rítmicamente hacia arriba y hacia abajo en líquidos carbonatados durante varios minutos, incluso hasta una hora.
Un hilo de Twitter que lo acompañaba sobre nuestra investigación se volvió viral y acumuló más de medio millón de visitas en sólo dos días. ¿Por qué este experimento en particular captó la imaginación de tantas personas?
El agua con gas y otras bebidas carbonatadas burbujean con burbujas porque contienen más gas del que el líquido puede soportar:están "sobresaturadas" de gas. Cuando abres una botella de champán o un refresco, la presión del líquido cae y las moléculas de CO₂ comienzan a escapar al aire circundante.
Las burbujas no suelen formarse espontáneamente en un fluido. Un fluido está compuesto de moléculas a las que les gusta permanecer juntas, por lo que las moléculas en el límite del fluido están un poco descontentas. Esto da como resultado una tensión superficial, una fuerza que busca reducir el área superficial. Dado que las burbujas añaden área superficial, la tensión superficial y la presión del fluido normalmente exprimen las burbujas que se están formando y las eliminan.
Pero las zonas ásperas en la superficie de un recipiente, como los grabados en algunas copas de champán, pueden proteger nuevas burbujas de los efectos aplastantes de la tensión superficial, ofreciéndoles la oportunidad de formarse y crecer.
También se forman burbujas dentro de las fibras microscópicas de tela en forma de tubos que quedan después de limpiar un vaso con una toalla. Las burbujas crecen de manera constante en estos tubos y, una vez que son lo suficientemente grandes, se desprenden y flotan hacia arriba, sacando el gas del recipiente.
Pero como saben muchos entusiastas del champán que ponen frutas en sus copas, los grabados superficiales y las pequeñas fibras de tela no son los únicos lugares donde se pueden formar burbujas. Agregar un objeto pequeño como una pasa o un maní a una bebida espumosa también permite el crecimiento de burbujas. Estos objetos sumergidos actúan como nuevas superficies atractivas para que moléculas oportunistas como el CO₂ se acumulen y formen burbujas.
Y una vez que hayan crecido suficientes burbujas en el objeto, se puede realizar un acto de levitación. Juntas, las burbujas pueden elevar el objeto a la superficie del líquido. Una vez en la superficie, las burbujas estallan y el objeto vuelve a caer. Luego, el proceso comienza de nuevo, con un movimiento de danza vertical periódico.
Las pasas son particularmente buenas bailarinas. Sólo se necesitan unos segundos para que se formen suficientes burbujas en la superficie arrugada de una pasa antes de que comience a elevarse; a las burbujas les resulta más difícil formarse en superficies más lisas. Cuando se deja caer en agua con gas recién abierta, una pasa puede bailar un tango vigoroso durante 20 minutos y luego un vals más lento durante aproximadamente una hora más.
Descubrimos que la rotación, o giro, era de vital importancia para lograr que los objetos grandes bailaran. Las burbujas que se adhieren a la parte inferior de un objeto pueden mantenerlo en el aire incluso después de que exploten las burbujas superiores. Pero si el objeto comienza a girar aunque sea un poquito, las burbujas de debajo hacen que el cuerpo gire aún más rápido, lo que da como resultado que exploten aún más burbujas en la superficie. Y cuanto antes se eliminen esas burbujas, antes el objeto podrá volver a bailar verticalmente.
Los objetos pequeños, como las pasas, no giran tanto como los objetos más grandes, sino que giran, bamboleándose rápidamente hacia adelante y hacia atrás.
En el artículo, desarrollamos un modelo matemático para predecir cuántos viajes a la superficie esperaríamos que hiciera un objeto como una pasa. En un experimento, colocamos una esfera impresa en 3D que actuaba como modelo de pasa en un vaso de agua con gas recién abierto. La esfera viajó desde el fondo del contenedor hasta la cima más de 750 veces en una hora.
El modelo incorporó la tasa de crecimiento de las burbujas, así como la forma, el tamaño y la rugosidad de la superficie del objeto. También tuvo en cuenta la rapidez con la que el fluido pierde carbonatación según la geometría del recipiente y, especialmente, el flujo creado por toda esa actividad burbujeante.
El modelo matemático nos ayudó a determinar qué fuerzas influyen más en la danza del objeto. Por ejemplo, la resistencia del fluido sobre el objeto resultó ser relativamente poco importante, pero la relación entre el área de superficie del objeto y su volumen fue crítica.
De cara al futuro, el modelo también proporciona una manera de determinar algunas cantidades difíciles de medir utilizando otras más fáciles de medir. Por ejemplo, con solo observar la frecuencia de baile de un objeto, podemos aprender mucho sobre su superficie a nivel microscópico sin tener que ver esos detalles directamente.
Sin embargo, estos resultados no son sólo interesantes para los amantes de las bebidas carbonatadas. Los fluidos sobresaturados también existen en la naturaleza; el magma es un ejemplo.
A medida que el magma de un volcán se acerca a la superficie de la Tierra, se despresuriza rápidamente y los gases disueltos del interior del volcán corren hacia la salida, al igual que el CO₂ en el agua carbonatada. Estos gases que se escapan pueden formar grandes burbujas de alta presión y emerger con tal fuerza que se produce una erupción volcánica.
Es posible que las partículas del magma no bailen de la misma manera que lo hacen las pasas en el agua con gas, pero los objetos diminutos en el magma pueden afectar la forma en que se desarrollan estos eventos explosivos.
En las últimas décadas también se ha visto una erupción de otro tipo:miles de estudios científicos dedicados a la materia activa en los fluidos. Estos estudios analizan elementos como los microorganismos nadadores y el interior de nuestras células llenas de líquido.
La mayoría de estos sistemas activos no existen en el agua sino en fluidos biológicos más complicados que contienen la energía necesaria para producir actividad. Los microorganismos absorben nutrientes del líquido que los rodea para seguir nadando. Los motores moleculares transportan carga a lo largo de una autopista en nuestras células extrayendo energía cercana en forma de ATP del medio ambiente.
El estudio de estos sistemas puede ayudar a los científicos a aprender más sobre cómo funcionan las células y bacterias del cuerpo humano y cómo ha evolucionado la vida en este planeta hasta su estado actual.
Mientras tanto, un fluido en sí puede comportarse de manera extraña debido a una composición molecular diversa y a los cuerpos que se mueven en su interior. Muchos estudios nuevos han abordado el comportamiento de los microorganismos en fluidos como el moco, por ejemplo, que se comporta como un fluido viscoso y como un gel elástico. Los científicos todavía tienen mucho que aprender sobre estos sistemas altamente complejos.
Si bien las pasas en agua con gas parecen bastante simples en comparación con los microorganismos que nadan en fluidos biológicos, ofrecen una forma accesible de estudiar características genéricas en esos entornos más desafiantes. En ambos casos, los cuerpos extraen energía de su complejo entorno fluido y al mismo tiempo lo afectan, dando lugar a comportamientos fascinantes.
Continuarán surgiendo nuevos conocimientos sobre el mundo físico, desde la geofísica hasta la biología, a partir de experimentos a escala de mesa, y tal vez desde la propia cocina.
