La física que separa las impurezas

¿Qué tienen en común los anillos de Saturno, una bandada de pájaros y la arena de la playa? Todos ellos se comportan como medios granulares. Los materiales granulares forman parte de la naturaleza y nuestra vida cotidiana. La arena, la sal, los preparados farmacéuticos, los cereales y los frutos secos son un ejemplo de ello. En física, un medio granular es un conjunto de partículas sólidas macroscópicas, de tamaño superior a 1 micrómetro (μm), que debido a una agitación o inyección de energía interaccionan y colisionan entre sí desarrollando propiedades diferentes. Esto ocurre en una tormenta de arena, una avalancha de nieve, una descarga de cereales en el silo y hasta en las piezas de hielo y asteroides que giran alrededor de Saturno.

La ciencia de los medios granulares ha abierto un amplio campo de investigación en Física Teórica con múltiples aplicaciones en el ámbito de la industria, la tecnología y la biología. Los ejemplos son significativos y variados. Así, el estudio de los medios granulares puede ayudar a determinar las condiciones de un atasco de tráfico de personas y animales, la evacuación de aglomeraciones, la gestión de silos de cereales, las mezclas de hormigón y morteros para la construcción y cómo separar las impurezas en los preparados granulares farmacéuticos. Las aplicaciones más novedosas se están desarrollando en biología para predecir el movimiento y situación en las bandadas de aves o bancos de peces, el transporte de proteínas en las células e incluso el comportamiento de las bacterias.

En este sentido, un equipo de científicos del Grupo de Física Estadística SPhinX de la Universidad de Extremadura investiga nuevos desafíos en el campo de los sistemas complejos, como son los medios granulares, mediante técnicas analíticas y numéricas.  Andrés Santos, Vicente Garzó, Francisco Vega y Antonio Lasanta desarrollan modelos teóricos de proyecciones de comportamiento y segregación de medios granulares. “Segregación en medios granulares implica, en términos generales, la separación de una partícula granular impura del conjunto de granos idénticos”, explica Francisco Vega, investigador del grupo SPhinX. Es decir, el objetivo es averiguar de qué manera se pueden separar las partículas diferentes dentro un medio relativamente puro, donde todas las partículas tienen las mismas características de masa y tamaño y que, además, interaccionan entre sí porque colisionan.

Segregar las partículas impuras

“En el grupo Sphynx elaboramos teorías matemáticas con la finalidad de demostrar que este sistema se puede tratar a nivel teórico como un fluido”, añade Vega. El ejemplo más visual es la arena, cuando la arena cae o se vierte se comporta como un líquido o un gas granular, en el caso de las tormentas de arena. Para que el medio granular se comporte como un fluido necesita una inyección de energía, una agitación. Si esta energía aumenta, los materiales comienzan a fluir de modo similar a un líquido, pudiendo llegar a mostrar propiedades análogas a un gas. La separación o segregación de una partícula hacia una dirección u otra dependerá de la intensidad y la frecuencia de la agitación, así como, de la relación de tamaño, peso y densidad entre la impureza y las demás partículas. “Un medio granular presenta un comportamiento y dinámica complejos, se puede conducir como un sólido, un líquido o un gas. Esto representa un reto a nivel teórico y tecnológico, y necesita una teoría muy elaborada para predecir su comportamiento ya que nos movemos en la física del no equilibrio”, afirma el investigador de la UEx.

De esta manera, un estudio publicado por los investigadores de la UEx en la revista Physical Review E desarrolla una teoría de segregación granular hidrodinámica para todo tipo de medios de baja densidad, por ejemplo, suspensiones granulares farmacéuticas o lechos fluidizados. En un sistema encerrado entre dos paredes en el que se induce energía térmica, los investigadores proponen un gráfico que predice hacia qué pared se dirigirán las partículas impuras según su tamaño, masa relativa y pérdida de energía cinética al colisionar. Por ejemplo, si la diferencia entre la masa de la impureza y la masa de la partícula del medio es un factor mayor que 1, la materia granular impura es más pesada y se dirigirá hacia la pared de arriba. Este modelo de proyección confirma el efecto de las nueces de Brasil, según el cual, los frutos secos de mayor peso tienden a desplazarse hacia arriba cuando se agita el recipiente.

Este sistema presentado mejoraría la gestión y eficiencia en los proceso industriales. “En muchas ocasiones, la industria recurre a procedimientos de ensayo y error para separar las impurezas o dos tipos de materiales. Nosotros proponemos un diagrama en el que solo se necesita la relación entre masa y tamaño entre la partícula que se quiere separar y la partícula del medio granular”, matiza Vega.

Uno de los objetivos de los investigadores del grupo SPhinX es superar la brecha entre la formulación teórica y sus aplicaciones, teniendo en cuenta la utilidad de estos modelos para una extensa variedad de procesos industriales y preparaciones de productos farmacéuticos. Por ello, los físicos de la UEx ya han realizado, en colaboración con la Universidad de Roma La Sapienza, un experimento que comprueba el modelo de proyección de segregación granular propuesto y, además, está previsto desarrollar una línea experimental en el ICCAEx, Instituto Universitario de Investigación de Computación Científica Avanzada en la Universidad de Extremadura.