Cuando se conduce en medio de niebla, los faros de un automóvil sólo son de ayuda limitada porque la luz es dispersada por partículas de agua suspendidas en el aire. La situación es similar cuando se intenta observar la estructura interna de una gota de leche en agua o de esencia de leche con la ayuda de una luz blanca. En todos estos casos, múltiples efectos de dispersión de la luz impiden la inspección interna. Un equipo de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) ha superado esta dificultad y ha demostrado un nuevo método para estudiar el interior cristalino. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista sustancia blanda.
La iluminación monocromática resalta este problema.
Cuando pones una gota de tinta en agua, todos sabemos el resultado: las partículas de tinta se dispersarán lentamente por simple difusión. Sin embargo, esto no es necesariamente lo mismo cuando se considera una gota compuesta de partículas que se repelen fuertemente entre sí. Existen algunas simulaciones de materiales exóticos, como el plasma polvoriento, que, al igual que el material del Sol, está formado por partículas repulsivas. Faltan predicciones para gotitas compuestas de partículas repulsivas suspendidas en un líquido. Experimentalmente también todos los intentos de medir el comportamiento tridimensional de una gota de este tipo han resultado inútiles. Sin embargo, los investigadores han desarrollado ahora un método utilizando herramientas de laboratorio muy simples que pueden usarse para investigar casos en los que la luz blanca no puede penetrar y el uso de rayos X no sería apropiado. Su enfoque aprovecha el hecho de que el color de la luz dispersada múltiples veces depende de la concentración local de partículas. Este efecto también se potencia cuando el material es cristalino. Por tanto, las regiones con diferentes concentraciones de partículas aparecerán en diferentes colores. Normalmente, las regiones concentradas brillan de color azul brillante, otras, donde las partículas están más separadas, exhiben un tono rojizo. Al iluminar la gota con luz blanca, que es una mezcla de diferentes longitudes de onda, todos los colores se dispersan y es prácticamente imposible determinar el verdadero origen de cada color dentro de la gota turbia y blanquecina.
“Superamos esta dificultad iluminando continuamente las gotas con luz monocromática diferente, es decir, luz de longitudes de onda individuales”, explicó el profesor Paulberg de la JGU. Para cada longitud de onda, se produjo dispersión múltiple solo en regiones de concentración adecuada de partículas, mientras que el resto de la gota se volvió transparente a esa longitud de onda. “Así pudimos ver dónde se dispersaba la luz roja o azul en lo más profundo del diámetro”, añadió Paulberg. “Usando nuestra técnica, ahora podemos, con alta resolución espacial y temporal, sondear el perfil de densidad de gotas cristalinas, turbias e incluso otros medios turbios”. Por ejemplo, este método puede ser útil para analizar el gradiente de concentración de una suspensión de sedimentación o para determinar el grado de homogeneización logrado al agitar pintura diluida con un solvente.
Perfil de expansión complejo de gotas cristalinas.
En su artículo reciente, los investigadores utilizaron su nuevo método para estudiar gotas de suspensiones cargadas uniformemente y, por lo tanto, repeler pequeñas esferas de polímero suspendidas en agua. Inicialmente, estas partículas interactúan tan fuertemente que la suspensión discontinua forma un material policristalino. Esta suspensión es muy similar al ópalo gema y presenta una dispersión múltiple muy fuerte. Sin embargo, tan pronto como se añade una gota al agua, comienza a expandirse. “Con este trabajo innovador pudimos demostrar que el perfil de expansión de este material cristalino es relativamente complejo. No existe una densidad general constante con un borde exterior bien definido ni un perfil sencillo. “El perfil de difusión es lo que cabría esperar de una gotita de partículas no repelentes en un medio líquido”, dijo Paulberg. Además, se produce una rápida expansión inicial de la esfera de cristal debido a la repulsión mutua entre las partículas antes de que los cristales se rompan en el borde de la gota debido a su debilitamiento y la gota comience a encogerse lentamente.
Mientras se realizaban los experimentos de laboratorio en la Universidad de Mainz, el equipo del profesor Hartmit Lowen en la HHU realizaba un modelado teórico del perfil de densidad basado en la teoría funcional de la densidad dinámica. “Hubo una correlación prometedora entre los experimentos y los resultados de los modelos, lo que indica el buen poder predictivo de este tipo de teoría”, afirmó Löwen. De hecho, el perfil de densidad calculado también mostró una densidad máxima central y un gradiente de densidad radial que se aplanó con el tiempo. Sorprendentemente, también se predijo correctamente el tiempo máximo de expansión de la gota de cristal. Se puede concluir que el tamaño de la gota está determinado por dos procesos opuestos: se expande continuamente y al mismo tiempo se funde a lo largo de su contorno. “La interacción entre estos dos procesos produce un escenario de expansión cualitativamente diferente del predicho por el modelado del plasma”, concluyeron los investigadores. Ahora planean continuar su investigación variando sistemáticamente el nivel de repulsión de las partículas para ver cómo esto afecta el perfil de densidad y la dinámica de expansión.
