La física de la congelación de las pompas de jabón es más fría de lo que crees

Si hay algo más fascinante que los remolinos iridiscentes que bailan sobre una pompa de jabón, es la visión de las estrellas heladas que se arremolinan alrededor de esa burbuja mientras se congela.

Por eso, cuando un vídeo de YouTube de una burbuja congelándose llegó a manos del ingeniero mecánico Jonathan Boreyko y su equipo de la Universidad Tecnológica de Virginia, no sólo se quedaron maravillados. Querían entender la física que había detrás del impresionante despliegue de cristales de hielo arremolinados.

«Muchas cosas en la investigación están más motivadas por el deseo de la verdad o de la belleza», dice Boreyko, «como simplemente tratar de entender una cosa nueva y misteriosa.»

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El estudio del equipo, publicado el mes pasado en la revista Nature Communications, revela la física del «efecto globo de nieve», un fenómeno que hace que cientos de diminutos cristales de hielo floten por la superficie de una burbuja y se congelen simultáneamente en un caprichoso espectáculo.

Lo que Boreyko y su equipo se propusieron determinar fue de dónde proceden los cientos de pequeños cristales de hielo del efecto bola de nieve. Normalmente, cuando una cantidad relativamente pequeña de un líquido se congela -como cuando el agua se convierte en un cubo de hielo- el proceso de congelación comienza desde un único punto de origen. Ese punto crea un límite en expansión entre el líquido congelado y el no congelado, llamado frente de congelación. A medida que el frente de congelación se expande hacia el exterior, enfría el líquido restante, haciendo que cambie de fase y se convierta en hielo.

Pero en las burbujas, según observaron Boreyko y su equipo, este proceso puede ser diferente. Cuando los investigadores congelaron algunas burbujas en un congelador y tomaron fotos y vídeos de ellas, vieron lo que parecían cientos de frentes de congelación flotando simultáneamente a través de la superficie de las burbujas.

Para examinar más de cerca la física que hay detrás de la multitud de frentes de congelación, el equipo desarrolló un modelo matemático para simular la congelación de las burbujas. El modelado, dice Boreyko, fue la parte más difícil. «Una vez que se hicieron todos los experimentos, se tardó más de un año en modelar por completo y entender la física detrás de las cosas que estábamos viendo», dice.

Lo que el equipo descubrió sigue el proceso fundamental de la congelación en sí: En el momento en que un líquido se congela, se calienta ligeramente. Esto se debe a que, a medida que las moléculas de un líquido se reorganizan y se funden en un sólido, el exceso de energía se libera en forma de calor, llamado calor latente.

Cuando una burbuja se encuentra en un entorno de congelación y aterriza en una superficie fría, lo primero que se congela es el fondo de la burbuja. A medida que este frente de congelación se expande, libera calor latente en la superficie líquida adyacente de la burbuja. Esto calienta ligeramente el agua en el borde del frente de congelación y hace que fluya hacia la parte superior de la burbuja.

A medida que se libera más calor latente, el flujo de agua se hace más fuerte. Esto pone tensión en el frente de congelación y hace que se desprendan cristales de hielo extremadamente pequeños que se deslizan por la superficie de la burbuja. Estos cristales comienzan entonces a crecer simultáneamente, lo que da la impresión de que se están formando varios frentes de congelación a la vez.

«En realidad se trata de un solo frente de congelación», dice Boreyko, y añade que la superficie fría proporciona un punto de origen para iniciar el crecimiento de los cristales de hielo.

«Este artículo no trataba sobre el hielo, en realidad. Era más bien sobre el flujo de líquidos», dice Kenneth Libbrecht, un físico del Caltech especializado en cristales de hielo y formación de copos de nieve que no participó en el estudio. El hallazgo único del estudio, dice, es que la congelación crea flujos de líquido en la superficie de las burbujas que crean un bucle de retroalimentación, que mejora el propio proceso de congelación.

Esta nueva comprensión del efecto bola de nieve podría algún día ayudar a los expertos a diseñar mejores formas de congelar cosas, incluyendo material biológico como el tejido humano.

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La progresión del «efecto bola de nieve» en tres imágenes. Crédito de la imagen: Farzad Ahmadi y Christian Kingett

Actualmente, la congelación a baja temperatura de tejidos humanos, llamada criónica, se limita sobre todo a congelar pequeñas muestras de tejido o células individuales, dice Steven Van Sciver, un profesor que estudia criogenia y criónica en la Universidad Estatal de Florida y que no participó en el estudio. Las muestras más grandes, como los órganos completos, dice, se dañan durante el proceso de congelación y descongelación.

«La mayor parte de lo que se ve en La guerra de las galaxias y Star Trek y en Hollywood son cosas como congelar a la gente y devolverla a la vida», dice Van Sciver. «Y la mayor parte es un engaño»

Pero, para los investigadores que buscan mejores formas de congelar cosas, las burbujas presentan una oportunidad única, dice. «Entender cómo se forman estos cristales en burbujas muy finas y cómo se mueven podría ser útil para entender la congelación biológica realizada con criogenia».»

Pero Boreyko dice que su equipo no tenía un uso final en mente cuando empezaron este proyecto, sólo el deseo de entender lo que estaban viendo.

«La gente siempre está pensando en aplicaciones», dice Libbrecht. «Creo que esa es la manera equivocada de pensar en ello. En este caso, la investigación es muy poco costosa….Está bien gastar un poco de dinero para tratar de entender lo que está sucediendo a tu alrededor.»

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