Ingenieros descubren casualmente un nuevo tipo de arena que desafía la ley de la gravedad

Un equipo de ingenieros de la universidad estadounidense de Lehigh ha creado una arena hecha a base de pequeñas esferas que cuando se le aplica un campo magnético es capaz de superar la fuerza de la gravedad y subir cuestas, escaleras e incluso paredes. Los investigadores aseguran que este tipo de material puede ser muy útil para el futuro de campos como la industria, la nanorobótica, la agricultura o la salud.

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Omar Kardoudi

En condiciones normales, la arena que se acumula en una zona plana acaba formando montículos donde el material que hay en la capa más superficial se mueve mientras que el que está debajo se mantiene casi quieto. Este fenómeno se ve en las dunas o en las avalanchas, donde la capa superior cae por los lados del montículo debido a la fuerza de la gravedad y a la resistencia de las partículas de arena a deslizarse unas sobre otras, lo que se conoce como ángulo de reposo.

El Dr. Samuel Wilson-Whitford, uno de los autores principales del artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications, descubrió por casualidad que esto no tiene por qué ser siempre así. Wilson-Whitford estaba haciendo experimentos sobre microencapsulación cuando deslizó un imán bajo un vial de partículas poliméricas recubiertas de óxido de hierro conocidas como microrollers. Para sorpresa del investigador, la influencia del campo magnético provocó que los microrollers empezaran a moverse por el montículo cuesta arriba (con un ángulo de reposo negativo), desafiando a la gravedad.

Cómo sucede esto

El equipo observó las distintas reacciones del material ante la presencia del imán. Los investigadores descubrieron que cuando vertían los microrollers sin haberlos activado con el imán, fluían cuesta abajo como sucede normalmente en las dunas. Pero cuando aplicaban el campo magnético, cada partícula cercana a la superficie del montículo empezaba a girar y se unía a las otras generando un ángulo de reposo negativo debido a un coeficiente de fricción negativo que las hacía subir.

El equipo observó que al aumentar la fuerza magnética aumenta la cohesión, lo que da a los microrollers más tracción y la capacidad de moverse más rápido. El movimiento colectivo de todos esos granos y su capacidad para adherirse unos a otros, dicen los investigadores, permite que el grupo de partículas trabajen juntas para subir por las paredes y por escaleras. Uno solo de esos granos, aseguran, no podría superar la altura de cada escalón, pero sí pueden hacerlo cuando trabajan juntos.

"Hasta ahora, nadie habría utilizado estos términos", afirma James Gilchrist, catedrático de Ingeniería Química y Biomolecular en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas P.C. Rossin de Lehigh y autor principal de la publicación, en un comunicado de la universidad. "No existían. Pero para entender cómo estos granos fluyen cuesta arriba, calculamos cuáles son las tensiones que hacen que se muevan en esa dirección. Si el ángulo de reposo es negativo, debe haber cohesión para que el coeficiente de fricción sea negativo. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para considerar estas cosas, pero después de calcularlo, lo que salió es un coeficiente aparente de fricción que es negativo".

Los investigadores aseguran que los granos activados por el campo magnético se mueven juntos de manera similar a cómo lo harían bajo la gravedad. Normalmente, dicen, las partículas que responden a fuerzas externas imitan ciertos principios de la termodinámica, pero en este caso mostraron un comportamiento similar al de un sistema en el que se pierde energía, como un reloj de arena que funcionara a cámara lenta.

Un material ‘mágico’ para el futuro

Los investigadores explican que este primer artículo se centra sólo en cómo el material fluye cuesta arriba, aunque ya están trabajando para publicar otros estudios en los que se detallen las aplicaciones prácticas. “Parte de esa exploración consiste en responder a la pregunta: ¿pueden estos microrollers escalar obstáculos? Y la respuesta es sí", aseguran.

Esas posibles aplicaciones podrían ser muy variadas. Los microrollers, dice el equipo, podrían utilizarse para mezclar y separar materiales o mover objetos. También se puede utilizar la capacidad de las partículas de agruparse y trabajar colectivamente para aplicaciones de microrobótica enfocadas a la atención sanitaria o como medio para suministrar nutrientes en las tierras de cultivo a través de un material poroso.

“Estamos estudiando a fondo estas partículas", explica Gilchrist, "experimentando con diferentes velocidades de rotación y diferentes cantidades de fuerza magnética para comprender mejor su movimiento colectivo. Básicamente sé los títulos de los próximos 14 artículos que vamos a publicar".