Nueva explicación del porqué podemos correr encima de una piscina con agua y maicena

Este vídeo de El Hormiguero muestra cómo podemos correr por encima de la superficie de una piscina llena de un fluido no newtoniano; por ejemplo, agua mezclada con harina de maíz (maicena). Este tipo de fluido se solidifica cuando se le aplica una deformación rápida (por eso hay que mover los pies rápido para no hundirse). Se creía que la explicación era el incremento de la viscosidad debido a la relación no lineal entre la tensión cortante y la velocidad de deformación. Sin embargo, el nuevo artículo de Waitukaitis y Jaeger aparecido en Nature propone que la clave de la solidificación rápida es la compresión de las partículas en suspensión. Según ellos, al caminar por encima de la mezcla no se pueden producir esfuerzos suficientes para que la no linealidad de la reología del fluido no newtoniano pueda explicar el fenómeno. Su nuevo hipótesis ha sido confirmada con experimentos en los que han sumergido una barra cilíndrica en contenedores llenos de una mezcla de agua y maicena. Utilizando cámaras de alta velocidad, imágenes de rayos X y sensores de fuerzas han logrado desentrañar la física de este curioso fenómeno. Nos lo cuenta Martin van Hecke, “Soft matter: Running on cornflour,” Nature 487: 174–175, 12 July 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Scott R. Waitukaitis, Heinrich M. Jaeger, “Impact-activated solidification of dense suspensions via dynamic jamming fronts,” Nature 487: 205–209, 12 July 2012.

El nuevo estudio experimental concluye que, por debajo del lugar del impacto de la barra en el fluido, aparece un frente de solidificación de rápido crecimiento que se extiende hasta tocar fondo y formar un columna sólida. El crecimiento de este núcleo sólido es debido a la aglomeración de las partículas sólidas secas en la solución líquida; como en el tráfico rodado, se forman atascos entre las partículas que gracias a la ley de conservación del momento forman un sólido rígido. Clave en el proceso son los atascos entre las partículas. Cuando no se camina suficientemente rápido, los atascos se rompen y las partículas fluyen fuera del núcleo sólido, con lo que el candidato a corredor sobre las aguas se hunde en ellas, e incluso puede nadar (aunque no sin dificultad).

La fuerza que detiene el hundimiento del cilindro que penetra en el fluido presenta dos picos, como muestra la parte izquierda de esta figura. El fuerte pico inicial corresponde al crecimiento rápido de la zona solidificada y el segundo pico, mucho más débil, corresponde al hundimiento de la región solidificada hasta tocar fondo en la piscina. Las imágenes de los experimentos muestran claramente la presencia del núcleo rígido y  la cámara de alta velocidad permite trazar su caída hasta el fondo. Cuando el cilindro se para, o si incide en la superficie lentamente, el núcleo rígido transitorio tiene tiempo para descomponerse y éste se hunde hasta el fondo.

El nuevo artículo, además de resolver una cuestión curiosa muestra el papel fundamental de las zonas de compresión y solidificación en la reología de los fluidos complejos. La componente granular de estos fluidos se muestra clave para entender su comportamiento y no basta con las leyes clásicas de la reología, además hay que aplicar los nuevos resultados de la física de medios granulares.

Las aplicaciones de este tipo de fluidos son muchas, por ejemplo, en la Universidad de Málaga se ha desarrollando un badén “inteligente” de velocidad (BIV), que es liviano para el conductor que respeta el límite de velocidad, pero se endurece a velocidades excesivas. Mi compañero Francisco José Rubio de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la UMA ha solicitado la patente de este badén inteligente que utiliza un fluido no-newtoniano que presenta un comportamiento reológico llamado reoespesamiento (shear-thickening en inglés). Este tipo de materiales también se utilizan en chalecos antibalas ligeros y en muchas otras aplicaciones.

La desintegración doble beta sin neutrinos

La desintegración doble β sin neutrinos, que aún no ha sido observada, permite dilucidar si los neutrinos son partículas de Dirac o de Majorana, ya que solo en este último caso está permitida (ya que requiere la aniquilación mutua de dos antineutrinos, proceso posible solo si el antineutrino es su propia antipartícula). Más aún, la vida media de esta desintegración permitiría medir la masa de los neutrinos de forma directa (todas las estimaciones actuales de la masa de los neutrinos son indirectas). En 2001, Hans Klapdor-Kleingrothaus y sus colegas del Instituto Max Planck de Fïsica Nuclear, Heidelberg, Alemania, afirmaron haber observado el fenómeno en un experimento que utilizó germanio situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso. La mayoría de los físicos cree que el grupo de Heidelberg interpretó de forma errónea procesos de desintegración beta convencionales, ya que experimentos similares otros isótopos no la han observado. La solución final a esta historia la sabremos a principios de 2013, cuando el experimento GERDA (Germanium Detector Array), también situado en Gran Sasso, publique los resultados de su primer año de toma de datos, que se inició en noviembre de 2011. Si no observa el fenómeno, refutará el resultado de Heidelberg fuera de toda duda, pero si lo observara Klapdor-Kleingrothaus sería un firme candidato al Premio Nobel de Física. Nos lo cuenta Edwin Cartlidge, “Neutrino physics: Beta test. Debate rages over whether researchers have managed to see an exceptionally rare form of radioactivity. Experiments this year should finally settle the issue,” Nature 487: 160–162, 12 July 2012.

Os recuerdo a los despistados. Como muestra la figura que abre esta entrada, en la desintegración β estándar un neutrón emite un electrón y un antineutrino transformándose en un protón; un neutrón libre tiene una vida media de unos 10 minutos, aunque en un núcleo inestable puede reducirse a solo unas milésimas de segundo. En 1987 se observó por primera vez que en los núcleos atómicos con un número par de neutrones y de protones también se da la desintegración doble  β, en la que dos neutrones se convierten simultáneamente en dos protones emitiendo dos electrones y dos antineutrinos; la vida media de este proceso es de al menos 10¹⁸ años. La teoría predice que se puede dar la desintegración doble  β sin neutrinos, cuando los dos antineutrinos se aniquilan mutuamente y solo se emiten los dos electrones; la vida media para este proceso se estima en al menos 10²⁵ años.

En la conferencia Neutrino 2012, 3-9 junio, Kyoto, Japón, el experimento EXO (Enriched Xenon Observatory) afirmó que no había encontrado evidencia de la desintegración doble β sin neutrinos tras tomar datos entre septiembre de 2011 y abril de 2012. Este resultado es casi una refutación del resultado de Heidelberg, pero como usa otro isótopo, aún hay lugar para el fenómeno. Otros proyectos tampoco han viso el fenómeno, como el proyecto KamLAND-Zen, en la mina de Kamioka en Japón, y CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) en Gran Sasso, pero todavía acumulan poca estadística. Por ahora todo indica que la palabra final la tendrá GERDA.

Por supuesto, si GERDA no ve el efecto, eso no significa que el efecto no se dé en la Naturaleza. Michel Sorel, físico español del IFIC (CSIC/UV), Valencia, miembro del proyecto liderado por J. J. Gómez Cadenas, también del IFIC, para el desarrollo del detector NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon Time Projection Chamber) que se situará en el Laboratorio de Canfranc. Este proyecto también buscará la desintegración beta doble sin neutrinos y caso de que la encontrara antes que otros proyectos de la competencia pondría a algún español en la antesala del Premio Nobel.

Se observa por primera vez un efecto termoespintrónico en un material no magnético

El efecto Seebeck es el paradigma de la termoelectricidad y permite el desarrollo de termopares (sensores de temperatura). En 1821 Seebeck construyó un cable conductor de electricidad uniendo entre sí dos cables de diferentes materiales y observó que al calentar uno de sus extremos aparecía una corriente eléctrica y un campo magnético inducido. A la inversa, una diferencia de temperatura entre los extremos de un imán (material ferromagnético) provoca la aparición de una diferencia de potencial y una corriente eléctrica, incluso en imanes fabricados con materiales semiconductores y aislantes. Se publica en Nature la primera observación del efecto Seebeck en un material que no es magnético (antimoniuro de indio, InSb), aunque a baja temperatura (por debajo de 40 Kelvin). Los autores del artículo afirman que la corriente eléctrica se produce gracias a la inversión del espín de los electrones en el material, por lo que han bautizado al fenómeno como efecto Seebeck de espín. En materiales magnéticos el sentido de la corriente eléctrica viene determinado por la dirección de la magnetización, pero en el nuevo efecto solo depende de la dirección del gradiente de temperatura. Nos lo han contado Tero T. Heikkilä, Yaroslav Tserkovnyak, “Solid-state physics: Thermal spin power without magnets,” Nature 487: 180–181, 12 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de C. M. Jaworski, R. C. Myers, E. Johnston-Halperin, J. P. Heremans, “Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material,” Nature 487: 210–213, 12 July 2012.

El efecto Seebeck de espín en materiales ferromagnéticos se asocia a la interacción entre los fonones (vibraciones de la red cristalina) y los magnones (excitaciones de los momentos magnéticos de espín); los fonones impulsan a los magnones a cambiar su estado de equilibrio generando una corriente de espín que polariza los electrones del material, efecto que puede ser detectado como una corriente eléctrica gracias al efecto Hall de espín inverso.

Este nuevo descubrimiento que combina espintrónica y termoelectrónica, en lo que se suele llamar termoespintrónica, se cree que tendrá aplicaciones en la industria de los ordenadores para desarrollar sistemas que aprovechen el calor disipado para almacenar información o realizar ciertas labores de cómputo. Por supuesto, estas aplicaciones a largo plazo aún estas lejos, siendo el mayor inconveniente que todavía no se entienden bien los detalles íntimos del efecto Seebeck de espín.