Crean por primera vez una arena que fluye hacia arriba

Ingenieros norteamericanos han desarrollado una arena que fluye en dirección contraria a la fuerza de la gravedad: sube cuesta arriba, tanto por las paredes como por las escaleras. Conducirá a una amplia gama de aplicaciones, desde la salud hasta el transporte de materiales y la agricultura.

Ingenieros de la Universidad de Lehigh en Estados Unidos han descubierto que la arena puede desafiar la gravedad y moverse en sentido contrario a la fuerza que la empuja hacia abajo, es decir, que puede fluir cuesta arriba. Los resultados de este estudio se publican en la revista Nature Communications.

Los investigadores utilizaron unas partículas de polímero recubiertas de óxido de hierro: son micro robots que actúan como micro-rodillos (microroller): tienen propiedades ferromagnéticas y pueden rotar cuando se les aplica un campo magnético.

Incluso por las escaleras

Al colocar un imán debajo de un frasco con estas partículas, observaron que la arena empezaba a formar montículos cuesta arriba. Fluyen cuesta arriba, por las paredes y suben y bajan por las “escaleras” que formaba el polímero (ver dos clips GIF1 y GIF2)

"Después de usar ecuaciones que describen el flujo de materiales granulares pudimos demostrar concluyentemente que estas partículas se movían como un material granular, excepto que fluían cuesta arriba", explican los investigadores en un comunicado.

Los ingenieros dicen que el descubrimiento, muy inusual, podría abrir muchas más líneas de investigación y conducir a una amplia gama de aplicaciones, desde la salud hasta el transporte de materiales y la agricultura.

De casualidad

El autor principal del artículo, Samuel Wilson-Whitford, explica que capturó este extraño movimiento granular por pura casualidad, en el curso de su investigación sobre la microencapsulación.

Cuando giró un imán debajo de un frasco con partículas micro rodantes recubiertas de óxido de hierro, los granos empezaron a amontonarse cuesta arriba.

Entonces, Wilson-Whitford y su equipo empezaron a estudiar cómo reaccionaba el material al imán bajo diferentes condiciones.

Cuando vertieron los micro rodillos sin activarlos con el imán, fluían cuesta abajo. Pero cuando aplicaron los imanes, cada partícula empezó a rotar, creando dobletes temporales que se formaban y se rompían rápidamente.

Insólito

El resultado es una cohesión que genera un ángulo de reposo negativo debido a un coeficiente de fricción negativo.

"Hasta ahora, nadie habría usado estos términos", dicen los ingenieros. "No existían. Pero para entender cómo estos granos fluyen cuesta arriba, calculamos cuáles son las tensiones que los hacen moverse en esa dirección. Si tienes un ángulo de reposo negativo, entonces debes tener cohesión para dar un coeficiente de fricción negativo. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para considerar estas cosas, pero después de calcularlo, lo que salió es un coeficiente de fricción aparente que es negativo".

Múltiples aplicaciones

Este descubrimiento podría tener implicaciones para el diseño y la fabricación de materiales inteligentes que puedan cambiar su forma y comportamiento según las condiciones externas, según estos ingenieros.

Por ejemplo, se podrían crear cápsulas o implantes médicos que liberen fármacos o sustancias activas cuando se les aplique un campo magnético.

También se podrían transportar materiales granulares por superficies inclinadas o verticales sin necesidad de energía adicional o dispositivos mecánicos.

Solo el principio

Además, se podrían desarrollar sistemas agrícolas o ecológicos que aprovechen las propiedades magnéticas de algunos suelos o sedimentos para mejorar su calidad o evitar su erosión.

Los investigadores esperan seguir explorando las posibilidades que ofrece este descubrimiento y ampliar sus conocimientos sobre el comportamiento de los materiales granulares bajo diferentes estímulos.

Consideran que este es solo el principio de una nueva forma de entender y manipular la arena.

Referencia

Microrollers flow uphill as granular media. Samuel R. Wilson-Whitford et al. Nature Communications, Volume 14, Article number: 5829 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-41327-1