Descifrando un problema ancestral, equipo de investigadores crea nueva técnica para medir procesos elementales de la erosión

Académicos de las universidades de O’Higgins (UOH), de Santiago (USACH) y de Minnesota en Estados Unidos comprobaron empíricamente el poder del impacto de las gotas de agua en superficies sólidas.

Entre las aplicaciones prácticas del descubrimiento destacan la creación de superficies más resistentes a la lluvia.

Ya en el siglo quinto antes de Cristo el filósofo chino Lao-Tse se preguntaba cómo una gota de agua, siendo tan blanda, puede ser capaz de erosionar materiales sólidos como las rocas. El problema científico planteado por el pensador motivó a investigadores de la Universidad de O’Higgins (UOH), la Universidad de Santiago de Chile (USACH) y la Universidad de Minnesota (Estados Unidos) a crear una nueva técnica para medir los procesos elementales que generan la erosión, cuyos descubrimientos pueden tener un uso práctico en la construcción de superficies más resistentes a la lluvia.

“Esta pregunta ha interesado a la comunidad científica por siglos pues encierra gran belleza y complejidad” comenta el Doctor en Física y académico del Instituto de Ciencias de la Ingeniería de la UOH, Pablo Gutiérrez, parte del equipo de investigadores que incluye a Franco Álvarez Novoa (Estudiante de Ingeniería Física, USACH), Klebbert Andrade (Ingeniero Físico, USACH), Leonardo Gordillo (Doctor en Física y Académico USACH), Ting-Pi Sun (doctorante en Ingeniería Química en la University of Minnesota) y Xiang Cheng (Doctor en Física, Académico University of Minnesota). “Se trató de un estudio financiado por la NSF (Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos), y por el Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (Fondecyt), de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID).

“Si bien recientemente se ha expandido el uso de videos de alta velocidad y con ello se ha accedido a mucha más información del impacto de gotas, aún eran pocos los estudios con enfoque en la superficie impactada”, prosiguió Gutiérrez. Explicó que al demostrar que los máximos de presión y estrés parten en un punto central y luego se muevan hacia afuera, implica que se está empujando el material, causando erosión. “Los resultados de esta investigación tienen implicanciones prácticas para la ciencia y la industria.”

“Se midió experimentalmente el estrés y la presión en la superficie donde la gota impacta, pero además (y especialmente) realizamos un avance a nivel de la interpretación”, explicó Gutiérrez. “Eso es algo bonito que pasa en las ciencias: esa evolución del estrés se había estudiado antes con simulaciones numéricas, pero quienes trabajaron en ello sólo consideraron superficies infinitamente rígidas y no se les ocurrió la conexión con la erosión. Ahora parece evidente, pero hace poco no lo era”, indicó.

El método

Para el experimento, el equipo realizó tres técnicas diferentes. “Por un lado estuvo el estudio del impacto de gota individual. Consistió en agregar pequeñas partículas fluorescentes en un gel transparente, que luego es el blanco del impacto de las gotas. El gel se ilumina con un láser y se observa con la zona bajo el impacto con una cámara rápida y un lente macro. Un impacto. Cuando una gota impacta, deforma el material, lo cual se graba en video y se procesa. Como resultado se obtiene la presión y el estrés en la superficie, con una resolución espacial y temporal sin precedentes”.

“Por otro lado –añadió-, estudiamos el efecto de impactos sucesivos de gotas. Ahí realizamos largos experimentos dejando caer muchas gotas sobre muestras de algunos materiales: arcillas, yesos, cementos; y observamos cómo se formaba un cráter. Esto lo comparamos con el cráter producido con el mismo número de golpes de esferas duras, que resulta ser mucho menos notorio.

Por último, el académico y su equipo simularon “numéricamente un volumen de material deformable ante condiciones de estrés similares a las observadas (a diferencia de los otros estudios enfocados sólo en las gotas), lo cual nos permitió corroborar nuestros resultados”.

La técnica medir impacto de las gotas individuales se vino desarrollando desde hace algunos años en Minnesota, como parte de la tesis de doctorado de Ting-Pi Sun (quien se graduó hace unos meses) bajo la dirección de Xiang Cheng. Los experimentos con muchas gotas y las simulaciones, se realizaron en Chile, durante la pandemia.

Aplicaciones y desafíos futuros

Gutiérrez explica que tras estos hallazgos “habrá potenciales aplicaciones toda vez que se quiera mitigar efectos erosivos en superficies a través de elementos de protección; o si se quieren incrementar esos efectos erosivos, por ejemplo, para realizar limpieza.

En cuanto a los desafíos futuros, añadió que “este estudio presentó una nueva técnica que permite seguir mirando lo que ocurre con las superficies ante el impacto de gotas. Nos interesa continuar esta línea en particular porque ha tenido muy poco desarrollo, a pesar que la comunidad científica que estudia impacto de gotas, es bastante grande y competitiva en el mundo”.

El artículo con los resultados de la investigación se pueden revisar en este link (en inglés)