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Desentrañan el misterio de la formación de los ‘anillos de café’

En las universidades de Monash y Cambridge ha desentrañado el misterio tras de la formación de ‘anillos de café’ al examinar el ángulo de contacto de las gotas en una superficie y cómo se secan.

La colaboración también desarrolló un modelo matemático que es capaz de predecir cuándo se podría observar un anillo de café en sistemas de partículas esféricas duras.

El profesor Gil Garnier, director de BioPRIA (Instituto de Investigación de Procesamiento de Fuentes Biológicas de Australia) en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Monash, dirigió un equipo internacional para explorar cómo se formaban patrones a partir de gotas que se evaporaban, un fenómeno que ha desconcertado a los físicos durante años.

El profesor Garnier dijo que este descubrimiento, creado por el doctor Michael Hertag de BioPRIA, podría abrir puertas en el campo del diagnóstico de sangre, especialmente para el descubrimiento de tratamientos para la anemia y otras enfermedades de la sangre.

La formación de patrones es una ocurrencia común en el secado de líquidos coloidales, como leche, café, pintura, aerosoles y en sangre.

Lo más común en las gotas es una distribución de anillo donde las partículas líquidas se han reubicado en el borde, que se conoce como anillo de café, cuando se seca. Este depósito es desfavorable en muchos procesos de fabricación y es de interés fundamental para los expertos en las profesiones de la construcción, la medicina y la ingeniería.

Llegaron a la conclusión de que los ángulos de contacto en los que se coloca una gota sobre una superficie mojada determinan la prevalencia de los ángulos del café. Cuando la gota se coloca en un ángulo de contacto alto, no hay anillos de café presentes.

“Nuestra investigación identificó el ángulo de contacto formado por la suspensión de gotas en la superficie y su contenido de sólidos como las dos importantes variables que gobiernan la formación de anillos de café”, dijo el profesor Garnier en un comunicado.

“Aunque se ha logrado un modelado exitoso anteriormente, mostramos aquí por primera vez que para cada ángulo de contacto, existe una fracción de volumen coloidal inicial crítica sobre la cual no se formará un patrón similar a un anillo.

“Esencialmente, cuanto menor sea el ángulo de contacto, mayor será la probabilidad de que se encuentren perfiles de anillo”.

Cuando una gota se coloca sobre una superficie, alcanza rápidamente una posición de equilibrio aparente que, para gotas pequeñas, puede definirse únicamente por el ángulo y el radio de contacto.

La tasa de evaporación y la variación de la fluidez de la masa en la superficie de la gota depende de muchos factores, incluida la presión de vapor del fluido, la geometría de la superficie de la gota, así como la velocidad y la presión parcial de la atmósfera circundante.

Los experimentos de secado se realizaron colocando una gota de solución de 6 microlitros sobre un sustrato con una pipeta Eppendorf. La gota se dejó secar en una habitación con humedad y temperatura controladas mantenidas a 23 grados C y 50 por ciento de humedad relativa.

“Demostramos que la presencia o ausencia de un anillo de café se puede predecir únicamente por la fracción de volumen inicial de partículas en una suspensión y el ángulo de contacto formado por la suspensión en la superficie de interés”, dijo Garnier.

“Utilizando este hallazgo, pudimos calcular un modelo para predecir la formación de anillos de café a partir de ángulos de contacto utilizando varias gotas de líquido.

“Esta técnica de modelado y sus conocimientos resultantes son nuevas herramientas poderosas para optimizar las técnicas de fabricación y diagnóstico”.