Simulación numérica multiescala de las burbujas de la espuma

Dibujo20130510 simulation of the evolution of a cluster of bubbles

La belleza de la espuma bajo luz diurna es indudable, pero el estudio mediante ordenador de la evolución (reología) de cada una de las membranas líquidas (películas de jabón)  que la forman no es nada fácil pues involucra escalas en espacio y tiempo que varían en seis órdenes de magnitud. Se publica en Science un nuevo modelo matemático que permite una simulación multiescala de gran precisión basada en tres etapas: en la primera se calcula la solución de equilibrio estático, en la segunda se estudia el drenaje del líquido a través de las membranas y las fronteras entre ellas, y en la última se calcula la posible rotura en las zonas más delgadas de las películas de fluido. Este proceso se repite de forma iterativa. El resultado es una simulación sin precedentes de la evolución de la espuma lejos del equilibrio. Las espumas tienen una gran variedad de aplicaciones en la industria y en el diseño de materiales. Por ello, la simulación multiescala de su física promete importantes repercusiones prácticas. Nos lo cuenta Denis Weaire, «A Fresh Start for Foam Physics,» Science 340, 693-694, 10 May 2013, que se hace eco del artículo técnico de Robert I. Saye, James A. Sethian, «Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement, Drainage, and Rupture in Evolving Foams,» Science 340: 720-724, 10 May 2013.

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Por qué las burbujas de una Guinness descienden por la pared interna de la pinta

Dibujo20130205 guiness pint - comsol numerical simulation bubbly flows

Los bebedores de cerveza Guinness saben que para disfrutar de una pinta bien servida hay que esperar. Muchos habrán observado en la pinta ya servida que hay burbujas que en lugar de subir descienden por la pared interna del vaso. La razón es que las burbujas de esta cerveza son muy pequeñas (porque tienen nitrógeno además de carbónico) y tras la «subida» de la cerveza se forma una zona de reflujo cerca de la pared, una capa límite delgada en la que el fluido se mueve hacia abajo llevado por y llevando con él las burbujas. La clave del reflujo es la geometría del vaso de la pinta y la interacción entre las burbujas y el fluido. Así lo afirma un nuevo artículo en American Journal of Physics que ha estudiado gracias a COMSOL la fluidodinámica de la cerveza en una vaso de un pinta y en un vaso de «antipinta» (como muestra la figura). El artículo técnico es E. S. Benilov, C. P. Cummins, W. T. Lee, «Why do bubbles in Guinness sink?,» Am. J. Phys. 81: 88-91, 2013 [arXiv:1205.5233].

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Un nuevo artículo deja la puerta abierta hacia la fusión fría gracias a la sonoluminiscencia

La sonoluminiscencia es un fenómeno físico que parece de ciencia ficción. Un tren de ultrasonidos aplicado a un líquido produce burbujas que implosionan emitiendo luz. El colapso de la burbuja produce en su interior temperaturas de decenas de miles de grados, a las que los electrones se separan de los núcleos de los átomos y se genera un plasma que emite la luz que se observa. ¿Qué temperatura máxima se puede alcanzar? Los resultados experimentales han medido temperaturas entre 15000 y 20000 grados. Un nuevo artículo publicado en Nature Physics confirma la formación de un plasma dentro de las burbujas que implosionan y además afirma que las temperaturas medidas en los experimentos corresponden a la temperatura superficial de la burbuja, sugiriendo que en su interior la temperatura podría ser muchísimo mayor. ¿Tanto como millones de grados como afirman algunos artículos teóricos? Los autores no se mojan al respecto. En mi opinión, no, no tanto, pero no soy experto. La sonoluminiscencia fue descubierta en 1934 y tuvo su momento de gloria en 2002, cuando se publicó un polémico artículo en la revista Science afirmando haber logrado la fusión (nuclear) gracias a la sonoluminiscencia. En lugar de utilizar un reactor de fusión por confinamiento inercial con láser, dicho artículo proponía utilizar ultrasonidos. La fusión requiere una temperatura de millones de grados, mil veces mayor que la que se observa en los experimentos de sonoluminiscencia. Pero en este nuevo artículo, David J. Flannigan y Kenneth S. Suslick, ambos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EEUU, afirman que las medidas experimentales de la temperatura máxima alcanzable por sonoluminiscencia miden la temperatura superficial de la burbuja que es muy inferior (no dicen cuanto) a la temperatura en el interior de la misma. En la revista Nature fueron muy críticos con Science por publicar el artículo de Taleyarkhan et al. sobre la fusión gracias a burbujas y ahora parece que dan su brazo a torcer y desde Nature Physics publican un artículo apoyando (más o menos) dichas ideas. Realmente curioso como se le da la vuelta a la tortilla. El artículo técnico es David J. Flannigan, Kenneth S. Suslick, «Inertially confined plasma in an imploding bubbleNature Physics, Published online: 27 June 2010. La fusión fría gracias a la sonoluminiscencia ha sido calificada por muchos como un fiasco. Lo sea o no, la generación de plasmas gracias a la sonoluminiscencia parece un tema de investigación muy interesante y este nuevo artículo nos sirve para volver a poner en el candelero la ciencia ficción de la sonoluminiscencia.

Didier Sornette explica cómo acertó su predicción sobre la burbuja financiera china este verano

Dibujo20090909_didier_sornette_predictions_versus_empirical_data_for_shanghai_composite_index_summer_2009

Los lectores de este blog saben el aprecio que le tengo a ciertos investigadores, como Didier Sornette. El 13 de julio de 2009 me hice eco en «El mercado de valores chino presenta una burbuja financiera que estallará este verano según un análisis matemático,» de su predicción de que el índice Shanghai Composite caería a principios de agosto. Muchos criticaron esta predicción (como «Econophysicist Predicts Date of Chinese Stock Market Collapse,» ArXiv Blog, July 14, 2009, y Droblo en Euribor.Com). Sin embargo, la predicción se cumplió y algunos tuvieron que dar su brazo a torcer, como «Econophysicist Predicts Date of Chinese Stock Market Collapse–Part II,» ArXiv Blog, August 21, 2009, aunque no del todo, les quedó la coletilla del «¿mera casualidad?» Se acaba de publicar un nuevo artículo de Sornette, como ya prometió en el anterior, que explica en detalle el análisis de los mercados financieros chinos que le llevaron a su predicción. La econofísica es así, no siempre acierta, pero descubre tendencias, y cuando acierta, hay que quitarse el sombrero. Y a Francis no le disgusta quitarse el sombrero ante Didier. El artículo técnico es Zhi-Qiang Jiang et al. «Bubble Diagnosis and Prediction of the 2005-2007 and 2008-2009 Chinese stock market bubbles,» ArXiv, Submitted on 7 Sep 2009. La honra obliga y nos comentan dicho artículo en «Econophysicist Predicts Date of Chinese Stock Market Collapse–Part III,» ArXiv Blog, September 09, 2009, nos le queda otra remedio que enmendar su inicial entuerto.

Sin entrar en detalles técnicos lo importante es recordar que una predicción acertada, incluso dos o tres, son sólo eso, predicciones acertadas, y no se pueden utilizar para justificar que una teoría matemática (modelo de una realidad) sea correcta. Sin embargo, si el modelo es plausible a partir de una teoría subyacente (la teoría económica de las burbujas financieras basada en expectativas racionales), estas predicciones acertadas pueden ser argumentadas como validación del modelo. El modelo de burbujas de Sornette basado en la detección de crecimiento más que exponencial (una ley de potencia con una singularidad en tiempo finito), llamado modelo LLPL, se nos muestra como una herramienta de gran utilidad práctica a la predecir la explosión de burbujas, al menos con unas semanas de antelación. Los economistas lectores de este blog e interesados en las burbujas harían bien en estudiar los últimos cuatro artículos de Sornette. Francis, por su parte, seguirá atento a las nuevas predicciones de Sornette y os mantendrá al tanto de las mismas. En estos tiempos de crisis suena muy bien «la teoría de las catástrofes aplicada a las burbujas financieras.»

El mercado de valores chino presenta una burbuja financiera que estallará este verano según un análisis matemático

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Los lectores habituales de este blog sabéis que le tenemos especial cariño a Didier Sornette, sociofísico especialista en burbujas financieras, que ya predijo el estallido de la burbuja de los precios del petróleo. Su nuevo análisis de la bolsa de Shanghai muestra que el mercado de valores chino presenta claros indicios de una burbuja financiera. Ha crecido ya un 65% este año. ¿Cuándo estallará? Muy pronto, estallará durante este verano (Didier afirma que entre el 17 y 27 de julio con un intervalo de confianza del 80%). El artículo técnico, como siempre con los de Didier, es fácil de leer para todos, K. Bastiaensen, P. Cauwels, D. Sornette, R. Woodard, W.-X. Zhou, «The Chinese Equity Bubble: Ready to Burst,» ArXiv, Submitted on 10 Jul 2009.

No solo Didier, también Juan Pablo Cardenal nos lo cuenta en «La burbuja bursátil amenaza a los grandes bancos chinos,» ElEconomista.com, 12 julio 2009.

«En medio de la crisis que mantiene a los inversores de todo el planeta con un pie en el acelerador y el otro en el freno, China ha vuelto a sorprender a propios y extraños. El dato habla por sí mismo: el índice de referencia de la bolsa de Shanghai rompió hace días la barrera de los 3.000 puntos, disparándose un 65 por ciento desde principios de año. La percepción colectiva de que la situación económica en China es más saludable y sólida que en el resto del planeta. En las últimas semanas, entre revisiones al alza del crecimiento económico en el país asiático, la confianza ha derivado en euforia bursátil total. […] Hay una disparidad indiscutible entre el estatus de la bolsa y la economía real. La explosión bursátil se debe, en gran medida, al exceso de liquidez. Los expertos no dudan de que tanta liquidez está bombeando una vieja conocida de los mercados en el gigante asiático: la burbuja bursátil.»

Didier Sornette y su grupo ha aplicado sus técnicas de análisis al índice compuesto de Shanghai (SSE) entre el 15 de octubre de 2008 y el 9 de julio de 2009 (ver la figura, arriba). El ajuste de sus modelos a los resultados observados muestra un crecimiento más rápido que exponencial, señal indiscutible de la presencia de una burbuja. La extrapolación de los modelos durante 100 días a partir del 9 de julio de 2009 (líneas a trazos en la figura) muestra que la burbuja podría estallar próximamente, entre el 10 de julio y el 10 de agosto de 2009. El valor pico estimado está entre el 17 y 27 de julio de 2009 para la proyección de los cuartiles 20%/80%.

El artículo de Didier promete que pronto presentarán un nuevo artículo con un análisis más detallado, incluyendo una comparación con la burbuja financiera china que estalló en octubre de 2007. Habrá que estar al tanto.

Más entradas en este blog sobre Didier Sornette:

¿Cuándo estallará la burbuja del petróleo? (o la esperanza es lo último que se pierde) Publicado por emulenews en Junio 23, 2008

Confirmado: el precio del petróleo crudo ha bajado como se predijo en este blog Publicado por emulenews en Agosto 11, 2008

Nunca te metas en camisa de once varas (o déjale a Rapel su papel) Publicado por emulenews en Septiembre 30, 2008

La confianza, la crisis financiera y la recesión (o por qué me cae bien Didier Sornette) Publicado por emulenews en Noviembre 25, 2008

Por qué se vuelve blanco el Ricard al añadirle agua (o burbujas de aceite en mezclas de alcohol y agua)

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El pastís francés (con marcas tan conocidas como Ricard o Pernod) tiene un sabor parecido al raki turco, aunque los anises españoles son mucho más dulces. Ambos se beben mezclados con agua, lo que le da un color «alechado». Para mi sorpresa, he visto a (solo algunos) franceses y (a muchos) turcos comer con pastís o con raki, respectivamente. Para mi paladar (yo en Turquía prefería comer con ayran), estos anisados cambian totalmente el sabor a la comida, pero supongo que a quienes tienen acostumbrado el gusto no les importa. Conozco algunos catadores de vinos fumadores que cuando dejaron de fumar se encontraron con que no podían catar «correctamente,» no eran capaces de reconocer y diferenciar variedades de vino que antes, siendo fumadores, les eran triviales. Por supuesto, tras cierta adaptación, del orden de un año y pico, recuperaron sus habilidades y, para su sorpresa, con significativas mejoras…  se sentían capaces de matizar mucho más que antes, cuando el «fondo de ruido» del sabor a tabaco se lo impedía.

Siempre que un amigo francés toma pastís, me pregunto, ¿por qué, siendo transparente en botella, se vuelve blanco y opaco al mezclarse con agua? La respuesta siempre me ha sido fácil: tendrá una sustancia que reacciona con el agua y que lo vuelve turbio. Nunca me he molestado en buscar dicha sustancia… la noticia publicada en Nature «Food Science: The origins of la louche,» Nature 452, 130-131 (13 March 2008), me ha aclarado que las burbujas, como en el cava, son importantes así como cuál es dicha sustancia.

El «enlechado» («la louche» francesa) de bebidas como la absenta española (hace años la probé, con moderación, y no era para «tanto»), el ouzo griego, o el pastís francés se debe a la formación de gotas «blancas» de un aceite de anís que es insoluble en agua, una emulsificación espontánea. En botella, estas bebidas son una mezcla (solución) homogénea de tres componentes: agua (55%), alcohol (45%), y «aceite» (0.1%). Este «aceite» es principalmente trans-anetol, un éster con un olor muy particular que le da a estas bebidas anisadas el «toque» de anís. El trans-anetol es soluble en etanol (alcohol) pero muy insoluble en agua. En botella, las proporciones de etanol, agua y aceite son tales que el aceite es todaíva soluble en la mezcla, por lo que ésta aparece como transparente. Sin embargo, cuando mezclamos la bebida con agua, el aceite ya no es soluble en el resultado. El gran descenso de la solubilidad del aceite en la nueva mezcla crea una gran supersaturación que resultan en la formación (nucleación) de un gran número de burbujas (de aceite), aprovechando pequeñas fluctuaciones en la concentración. Aunque la cantidad de aceite es pequeña genera un gran número de burbujas micrométricas debido a que la tasa de nucleación es muy alta. El color blanco proviene de la dispersión de la luz en este «mar» de burbujas.

El artículo técnico comentado en la noticia de Nature es de Elke Scholten, Erik van der Linden, and Herve This, «The Life of an Anise-Flavored Alcoholic Beverage: Does Its Stability Cloud or Confirm Theory?,» Langmuir, 24 (5), 1701 -1706, 2008. La formación de gotas de tamaño micrométrico se debe a la poca solubilidad en agua de la sustancia fotosensible llamada trans-anetol, uno de los componentes de las bebidas espirituosas anisadas. El radio de estas pequeños burbujas crece muy despacio, por lo que el color «alechado» se mantiene durante mucho tiempo. La razón se atribuyó a  que tenían una baja tensión interfacial, sin embargo, nadie la había medido. Ese es el objetivo del artículo, su medida.

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Las nuevas medidas de la tensión interfacial para diferentes mezclas de son más altas de lo esperado y parece que contradicen la aplicabilidad del modelo de (coalescencia) de Ostwald («ripening») al «alechado» del pastís. Dicho modelo para la dinámica del cambio de radio de las burbujas debida a las presiones interfaciales de Laplace (la diferencia de presión entre el interior y exterior es inversamente proporcial al radio de curvatura de la burbuja) moduladas por la solubilidad del gas (en el interior de la burbuja), … (dicho modelo) nos indica que las burbujas grandes crecerán a costa de la desaparición de las burbujas más pequeñas. La fotografía de arriba muestra este efecto experimentalmente. El crecimiento de las burbujas grandes debido al efecto de Ostwald es debido a la difusión del aceite a través de la pared de la burbuja con lo que está caracterizado por un crecimiento lineal del radio como función del tiempo.

Los resultados de este nuevo trabajo tratan de comprender el hecho de que el crecimiento de las burbujas de «aceite» en la mezcla agua-pastías es extremadamente lento, lo que permite que éstas sobrevivan en la mezcla durante días, semanas, e incluso meses. La razón parece ser que las burbujas muy pequeñas (de unos 0,2 micras) no sufren el fenómeno de coalescencia de Ostwald como en otra sustancias, en las que las burbujas grandes «se comen» a las pequeñas. Los autores concluyen experimentalmente que la tensión interfacial entre el aceite en las burbuajs y la concentración de agua+etanol en el exterior decrece conforme la concentración de etanol crece. Sorprendentemente, aunque la tasa de crecimiento de las burbujas debida al efecto de Ostwald debería decrecer conforme la concentración de agua crece, lo que corresponde a una disminución de la solubilidad del aceite en el medio exterior conforme la concentración de agua en éste crece, los resultados experimentales muestran exactamente lo contrario, la tasa de crecimiento de las burbujas decrece conforme crece la concentración de etanol. Esto indica que a más cantidad de agua, más estable es la mezcla (emulsión), sin embargo, de nuevo los experimentos contradicen las ideas preestablecidas, un incremento de la cantidad de etanol lleva a un incremento de la estabilidad de la emulsión.

Las teorías actuales son incapaces de comprender los resultados experimentales encontrados. Los parámetros tenidos en cuenta: la tensión interfacial, la solubilidad del aceite en el medio, y la diferencia de densidad entre el aceite y el medio son incapaces de comprender todos los efectos observados en este sistema de 3 componentes. Nuevos parámetros deberán ser estudiados experimentalmente con objeto de obtener nuevas teorías que expliquen todos los efectos observados. 

Si tienes a mano una copa de pastís (yo tengo una de Ricard), brinda conmigo por los avances de la ciencia.