Visualización de los resultados de la simulación de la alineación y la deformación de las moléculas de polímero en el flujo de fluido viscoelástico alrededor de la burbuja. En el flujo alrededor de la burbuja, las moléculas de polímero se alinean en la dirección circunferencial con el contorno de la interfaz de la burbuja y, al mismo tiempo, las moléculas de la parte superior de la burbuja se deforman. En el estado subcrítico (izquierda), las moléculas de polímero situadas por debajo del ecuador de la burbuja ya están relajadas. 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 grandes burbujas de gas en líquidos viscoelásticos (como las soluciones de polímeros y proteínas) suben mucho más rápido de lo esperado? Una pregunta abierta con gran relevancia para los procesos de producción industrial. Los investigadores de la Universidad Técnica de Graz y la Universidad Técnica de Darmstadt han encontrado una explicación.

Se trata de un enigma conocido desde hace tiempo por los expertos y muy relevante en muchos procesos de producción industrial: una discontinuidad de salto 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 ello. Si se da la vuelta a un frasco de champú transparente y casi completamente lleno, se verá cómo el aire encerrado se eleva en forma de burbuja con una forma inusual. En muchos procesos industriales, estos líquidos se presentan como soluciones de polímeros y a menudo hay que enriquecerlos con oxígeno mediante la gasificación. "Desde hace unos 60 años sabemos que la velocidad de ascenso de las burbujas de gas en los líquidos viscoelásticos experimenta un salto a partir de un diámetro de burbuja crítico. La velocidad de las burbujas puede ser entonces repentinamente hasta diez veces más rápida. Esto desempeña un papel fundamental en la gasificación controlada de estos líquidos. Al mismo tiempo, no estaba claro cuál era la causa de este aumento repentino de la velocidad", explica Günter Brenn, del Instituto de Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor de la Universidad Técnica de Graz.

Mediante una combinación de simulación, experimentos y análisis teóricos, los equipos de Günter Brenn, de la Universidad Técnica de Graz, y Dieter Bothe, de la Universidad Técnica de Darmstadt, han resuelto juntos el rompecabezas. Han descubierto que la interacción de las moléculas de polímero con el flujo que rodea a las burbujas de gas provoca el extraño comportamiento de la velocidad de las burbujas. Con este conocimiento, ahora se puede predecir con mayor precisión la entrada de oxígeno en estas soluciones, lo que significa que se pueden diseñar mejor los equipos en biotecnología, ingeniería de procesos e industria farmacéutica, por ejemplo. Los investigadores explican actualmente sus hallazgos en la revista Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

Representación esquemática de dos burbujas ascendentes en un fluido viscoelástico, a la izquierda en estado subcrítico y a la derecha en estado supercrítico. Crédito: Matthias Niethammer - TU Darmstadt

Los polímeros suelen estar formados por enormes moléculas que interactúan de forma compleja con el líquido en el que se disuelven. Esta interacción hace que el líquido sea viscoelástico. ¿A qué se debe el salto de velocidad que muestran las burbujas de gas en estos líquidos a partir del diámetro crítico? Günter Brenn explica los últimos descubrimientos: "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, sin estirar, lo antes posible". Si este retorno al estado relajado es más rápido que el transporte de las moléculas hacia el ecuador de la burbuja, entonces la burbuja sigue siendo lenta. Si, por el contrario, el retorno al estado relajado tarda más que el viaje al ecuador de la burbuja, entonces se libera una tensión en el fluido que "empuja" a la burbuja. Esto conduce a una autoamplificación, ya que las moléculas de polímero subsiguientes se posicionan por debajo del ecuador y se relajan, descargando su energía elástica, liberando una "fuerza de propulsión".

Representación esquemática de las influencias esenciales del flujo de polímeros en el comportamiento de ascenso de las burbujas. Crédito: Dieter Bothe - TU Darmstadt

Además de la gran relevancia práctica de este hallazgo, especialmente para los ámbitos de aplicación mencionados, también hay consecuencias en la investigación básica. "Resultó que otra propiedad sorprendente del campo de flujo de estas soluciones puede asignarse 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 del Departamento de Matemáticas de la Universidad Técnica de Darmstadt. Se trata de una zona en el campo de flujo por debajo de la burbuja en la que el fluido normalmente "sigue" a la burbuja a baja velocidad. Sin embargo, en el caso de los líquidos poliméricos es al revés: allí el movimiento del líquido se orienta en sentido contrario al de la burbuja. Este movimiento del líquido está causado por la misma tensión que "empuja" la burbuja. Esta comprensión puede dar lugar a posibilidades de control de los procesos de flujo.
Más información: Dieter Bothe et al, On the molecular mechanism behind the bubble rise velocity jump discontinuity in viscoelastic liquids, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2022). DOI: 10.1016/j.jnnfm.2022.104748

Crédito: Graz University of Technology