A propósito de espumas

Las burbujas del champú, la espuma de la crema de afeitar, la de un vaso de cerveza, cada cual ejemplifica una materia cuyas propiedades están lejos de ser comunes.

De qué se trata
Cada una de ellas es una espuma acuosa, una forma importante de la materia en la que un gas, a menudo aire, es dispersado en una aglomeración de burbujas que están separadas unas de otras por películas de un líquido que contiene agua mezclada con ciertos elementos conocidos como surfactantes (es decir, agentes activos de superficie).

Así en el arte como en las ciencias
La belleza de las burbujas y películas de jabón ha sido capturada, a través de los tiempos, por pintores como Murillo, Chardin, Hamilton, Manet y Millais. En tanto, el estudio científico de superficies líquidas, que nos ha traído a nuestro actual estado del arte en el área, se cree que empezó desde el tiempo de Leonardo da Vinci, un hombre de ciencias y artes del Renacimiento italiano del siglo XV. Desde entonces, los investigadores han surcado dos campos: uno, el abordado por físicos, químicos y biólogos que han estudiado las propiedades macroscópicas y moleculares, con gran beneficio para el conocimiento; el otro, seguido por los matemáticos, quienes han estado relacionados con problemas en los que se requiere la minimización de áreas contenidas por una frontera fija y problemas relativos. Un ejemplo simple consiste en determinar el área mínima contenida por un círculo de alambre.
Como cualquier otra forma de la materia, la espuma acuosa mantiene su configuración sólo cuando no puede transformarse en otro "arreglo" que emplee menos energía. En este caso, debe considerarse la energía del gas retenido en las burbujas, la energía química de las sustancias contenidas en las películas líquidas que forman las paredes de las burbujas y la tensión superficial de las películas.

Geometría y espumas
Como se expresó, cada película se enfrenta con una barrera energética. Todos los bebedores de cerveza, por ejemplo, saben que después de que ésta se vierte en un vaso, el volumen de la espuma baja mientras el del líquido crece. Sin embargo, pocos saben que mientras aquélla se drena, aumentando el volumen de la cerveza, las burbujas remanentes responden a una variación de fuerzas mediante su transformación de esferas a poliedros. Y muchos creen que todas esas burbujas son del mismo tamaño y de la misma forma, lo que acaece sólo en situaciones ideales.
Por otra parte, algunas espumas se emplean en campos muy específicos. Por ejemplo, en un invernadero diseñado en la Universidad de Arizona (EE. UU. de Norteamérica), una espuma acuosa de baja densidad ayuda a mantener el calor durante la noche. Como casi todas las espumas, las formas acuosas son buenos aislantes térmicos. Cada tarde, la espuma se bombea entre dos capas de plástico translúcido que forman el techo de la estructura. A la mañana, la espuma se licua por el calor del sol, el líquido se recoge, y queda listo para que se lo convierta nuevamente en espuma a la tarde.

También interesa a bomberos y mineros
En las espumas también se investiga su capacidad para disminuir la presión generada por una explosión. Esta asombrosa propiedad deviene de la destrucción del entorno de la espuma. En particular, algo de la energía en la onda de choque de la explosión se consume en convertir la espuma en diminutas gotas de agua; después, una cantidad mayor de energía se consume por la evaporación de estas gotitas. En total, la espuma puede consumir un 90% de la presión generada por una explosión.
Los cuerpos de bomberos de todo el mundo evalúan esta aplicación, ya que la espuma puede actuar como una trampa para las partículas emitidas por la onda de choque. En las minas de carbón, por ejemplo, la espuma que cubre la veta del mineral que se está excavando mediante detonación reduce la presión de ésta en la dirección de los mineros, y ayuda a atrapar el polvo de coque, reduciendo la posibilidad de una explosión generada por estas partículas. La Armada estadounidense, por su parte, ha empleado esta tecnología para cubrir el cañón de armas grandes con espuma y probar la capacidad de ésta para disminuir el ruido de las detonaciones.

El camino por recorrer
A pesar de que las espumas acuosas han sido investigadas científicamente desde el siglo XVII, falta mucho por saber de los complejos fenómenos físicos y químicos que interactúan inclusive en una sola burbuja de espuma. Las aplicaciones de las espumas muestran que el interés está bien justificado, y hoy es una activa área de investigación en México. Asimismo, en los Estados Unidos hay químicos, matemáticos y físicos que, abocados a investigar en este tema, recién están entendiendo matemáticamente qué son las espumas, cómo modelarlas y aplicarlas.
Pero se requerirá de un tiempo más prolongado para obtener modelos que se puedan aplicar industrialmente; quizás éstos permitan predecir propiedades de las espumas aún hoy desconocidas. Mientras tanto, la misma naturaleza ha enseñado dos cosas: que existe la difusión de gas entre las burbujas, y que dos burbujas tienden a formar una sola cuando la película es muy delgada.

Selección y adaptación: Lic. Enrique A. Rabe -Area de Comunicación Social del Centro Regional de Investigación y Desarrollo de Santa Fe (Ceride/Conicet)-.

© INVESTIGACIÓN HOY – CERIDE