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La movida superficie de un líquido

Un grupo de investigadores del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada (Universidad Autónoma de Madrid) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) han estudiado cómo se mueven las moléculas de la superficie o “capa exterior” de un líquido y cómo entran y salen de esta capa.

En una fotografía de exposición larga, los coches se convierten en líneas continuas. Algo parecido sucede con las ondas de capilaridad: pueden hacer que un sistema “rugoso” parezca, en promedio, mucho más suave.

Las superficies de los cuerpos son regiones muy distintas a su interior. Las moléculas en esta zona tienen por lo general a un lado el cuerpo, denso, pero al otro un gas, poco denso. Sin embargo, su estudio tiene un gran interés aplicado, por la obvia razón de que es la superficie lo que primero encontramos en un cuerpo. Así, procesos ópticos, de adsorción, catálisis, fricción... dependen crucialmente de estas superficies.

En un cuerpo sólido, los átomos están bastante fijos a sus posiciones y la definición de moléculas sobre una superficie es bastante clara. En un líquido, en cambio, la definición molecular de esta región es más difícil, por culpa de lo mucho que fluctúan las superficies. Se sabe, de hecho, que minúsculas “olas”, las ondas de capilaridad, que se producen espontáneamente por el ruido térmico, son capaces de distorsionar considerablemente la estadística de las superficies. Mediante una simulación por ordenador, se pueden “ver” con el detalle que uno quiera todas las moléculas de un sistema, y queda claro que cualquier instantánea de las posiciones moleculares corresponde a un “mar” encrespado, con protuberancias y valles debidos a las ondas de capilaridad, pero todo esto se promedia y acaba quedando en promedio una distribución suave. Recientemente se ha propuesto un método que elimina estos efectos y permite identificar una superficie para cada instantánea, capturando así la marejadilla molecular de una manera más realista.

En el trabajo publicado en The Journal of Chemical Physics (J. Chem. Phys. 128, 134704 (2008)) por Daniel Duque (UAM), Pedro Tarazona (UAM) y Enrique Chacón (ICMM), se estudia cómo se mueven las moléculas de esta capa, la del “exterior” del líquido. Resulta que, igual que sus colegas del interior, acaban llegando a un régimen “difusivo” en el cual, debido a las colisiones, la distancia que cubren no es proporcional al tiempo de vuelo, sino sólo a la raíz cuadrada (una ley que se debe a Einstein). Sin embargo, la proporcionalidad es aproximadamente tres veces superior a la del interior, así que la presencia del gas permite a estas moléculas unos vuelos más largos.

En todo caso, existe un aspecto quizá más importante: la entrada y salida de moléculas a esta capa es muy intensa, tanto que en realidad muy pocas de ellas se difunden distancias apreciables: antes de que esto ocurra acaban abandonando la capa exterior. Se ha conseguido cuantificar este fenómeno de entrada y salida a través no sólo de su frecuencia, sino también mediante distribuciones de entradas y salidas, que muestran cuáles son las zonas más “activas” en este sentido. Como era de esperar, la zona cercana al líquido es mucho más activa, de modo que, por lo general, las moléculas se incorporan desde el líquido, se desplazan algo hacia el gas y vuelven al líquido. Durante este corto tiempo también se desplazan lateralmente y esta difusión lateral parece ser igual que la anterior (en contra de predicciones anteriores).

Queda por aplicar todo esto a líquidos más complejos, porque el fluido analizado se corresponde sobre todo con fluidos simples (gases nobles, moléculas sencillas como el N2, O2, CO2). Habría que considerar el agua, otras moléculas similares (etanol, etilenglicol...) y moléculas más largas (hidrocarburos, polímeros).

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid
Derechos: Creative Commons
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