Burbujas que rompen reglas: Un descubrimiento fluido que desafía la lógica

25 de febrero de 2025

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por University of North Carolina at Chapel Hill

Un equipo liderado por investigadores de UNC-Chapel Hill ha hecho un descubrimiento extraordinario que está remodelando nuestra comprensión de las burbujas y su movimiento. Imagina burbujas de aire pequeñas dentro de un recipiente lleno de líquido. Cuando el recipiente se agita de arriba abajo, estas burbujas se involucran en un movimiento 'galopante' inesperado y rítmico, saltando como caballos juguetones y moviéndose horizontalmente, a pesar de que la agitación ocurre verticalmente.

Este fenómeno contradictorio, revelado en un nuevo estudio publicado en Nature, tiene implicaciones significativas para la tecnología, desde la limpieza de superficies hasta mejorar la transferencia de calor en microchips e incluso avanzar en aplicaciones espaciales.

Estas burbujas galopantes ya están atrayendo una atención significativa: su impacto en el campo de la dinámica de fluidos ha sido reconocido con un premio por su entrada de video en la Galería de Movimiento de Fluidos más reciente, organizada por la Sociedad Americana de Física.

'Nuestra investigación no solo responde a una pregunta científica fundamental, sino que también inspira la curiosidad y la exploración del fascinante mundo invisible del movimiento de los fluidos', dijo Pedro Sáenz, investigador principal y profesor de matemáticas aplicadas en UNC-Chapel Hill. 'Después de todo, las cosas más pequeñas a veces pueden llevar a los cambios más grandes.'

En colaboración con un colega de la Universidad de Princeton, el equipo de investigación buscó responder a una pregunta aparentemente simple: ¿Sacudir burbujas de arriba abajo puede hacer que se muevan continuamente en una dirección?

Para su sorpresa, no solo las burbujas se movieron, sino que lo hicieron perpendicularmente a la dirección de la agitación. Esto significa que las vibraciones verticales se transformaron espontáneamente en un movimiento horizontal persistente, algo que desafía la intuición común en física. Además, al ajustar la frecuencia y la amplitud de la agitación, los investigadores descubrieron que las burbujas podían transitar entre diferentes patrones de movimiento: movimiento en línea recta, trayectorias circulares y zigzagueos caóticos reminiscentes de estrategias de búsqueda bacterianas.

'Este descubrimiento transforma nuestra comprensión de la dinámica de burbujas, que suele ser impredecible, en un fenómeno controlado y versátil con aplicaciones de gran alcance en transferencia de calor, microfluidos y otras tecnologías', explicó Connor Magoon, primer autor conjunto y estudiante de posgrado en matemáticas en UNC-Chapel Hill.

Las burbujas juegan un papel clave en una amplia gama de procesos cotidianos, desde el gas en las bebidas gaseosas hasta la regulación del clima y aplicaciones industriales como sistemas de enfriamiento, tratamiento de agua y producción química.

Controlar el movimiento de las burbujas ha sido un desafío durante mucho tiempo en varios campos, pero este estudio introduce un método completamente nuevo: aprovechar una inestabilidad en el fluido para dirigir las burbujas de formas precisas.

Una aplicación inmediata está en los sistemas de enfriamiento para microchips. En la Tierra, la flotación natural elimina las burbujas de las superficies calentadas, evitando el sobrecalentamiento. Sin embargo, en entornos de microgravedad como el espacio, no hay flotación, lo que hace que la eliminación de burbujas sea un problema importante. Este método recién descubierto permite eliminar activamente las burbujas sin depender de la gravedad, lo que puede permitir una mejor transferencia de calor en satélites y dispositivos electrónicos en el espacio.

Otro avance está en la limpieza de superficies. Los experimentos de prueba de concepto muestran que las 'burbujas galopantes' pueden limpiar superficies polvorientas saltando y zigzagueando sobre ellas, como un pequeño Roomba. La capacidad de manipular el movimiento de las burbujas de esta manera podría llevar a innovaciones en la limpieza industrial y aplicaciones biomédicas como la administración dirigida de medicamentos.

'El mecanismo de auto-propulsión recién descubierto permite a las burbujas recorrer distancias y les otorga una capacidad sin precedentes para navegar por intrincadas redes de fluidos', dijo Saiful Tamim, primer autor conjunto e investigador postdoctoral asistente en UNC-Chapel Hill. 'Esto podría ofrecer soluciones a desafíos de larga data en transferencia de calor, limpieza de superficies e incluso inspirar nuevos sistemas robóticos blandos'.

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Las burbujas han fascinado a los científicos durante siglos. Leonardo da Vinci fue uno de los primeros en documentar sus caminos erráticos, describiendo cómo espiralan impredeciblemente en lugar de subir rectamente. Hasta ahora, controlar el movimiento de las burbujas ha sido un desafío, con enfoques disponibles siendo pocos y careciendo de versatilidad. Esta nueva investigación cambia esa perspectiva, demostrando que las burbujas pueden ser guiadas a lo largo de caminos predecibles utilizando vibraciones cuidadosamente ajustadas.

'Es fascinante ver cómo algo tan simple como una burbuja revela un comportamiento tan complejo y sorprendente,' dijo Jian Hui Guan, co-autor principal y asistente de investigación postdoctoral en UNC-Chapel Hill. 'Al aprovechar un nuevo método para mover burbujas, hemos desbloqueado posibilidades para la innovación en campos que van desde la microfluídica hasta la transferencia de calor.'

El descubrimiento de las burbujas galopantes representa un importante avance en nuestra comprensión de la dinámica de las burbujas, con implicaciones que abarcan diversas industrias. A medida que los investigadores continúan explorando y refinando este fenómeno, es posible que el mundo pronto vea nuevas tecnologías que aprovechen el poder de estas diminutas y acrobáticas burbujas.

Más información: Jian H. Guan et al, Galloping Bubbles, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56611-5

Información del diario: Nature Communications, Nature

Provisto por University of North Carolina at Chapel Hill