Los fluidos con burbujas, objetos de estudio en Santa Fe y en Cambridge

El Prof. Dr. Ian Wilson (norirlandés) y el doctorando Rubens Fernándes (brasileño), ambos del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), visitaron el INTEC (CONICET, UNL) la segunda semana de abril pasado. Las dos instituciones trabajan en conjunto en un proyecto de cooperación internacional que financian el CONICET y la Royal Society (Londres), iniciado en 2018. Por el INTEC participan los Dres. Juan Manuel Peralta, Bárbara Meza y Susana Zorrilla.

Prof. Wilson,  en términos simples, ¿qué son los fluidos con burbujas y por qué es importante el estudio del flujo de estos materiales a través de boquillas y en recubrimientos?

Los fluidos con burbujas son fluidos que tienen en su estructura pequeñas burbujas de aire. Estos fluidos tienen una menor densidad y fluyen, pero hasta un cierto punto. La mejor manera de pensarlo, o imaginarlo, es a través de ejemplos como la crema batida o el helado. La crema es un líquido viscoso que, cuando uno lo bate, le incorpora aire y puede usarse para recubrir alimentos. El helado también es un ejemplo de un fluido con burbujas que se puede manipular a través de boquillas en la industria. La gran cantidad de aire presente en estos fluidos le confiere elasticidad, por lo que el material se vuelve un poco más rígido. A su vez, el aire incorporado disminuye la densidad del fluido, lo que significa que no es tan denso como el líquido original. Podría decirse que es más liviano y que fluye, aunque de manera diferente, porque tiene una textura particular -es como comparar la crema batida con la crema normal-. Esa es la idea básica de un fluido con burbujas. La clave está en que el líquido base, como es el caso de la crema normal, sea lo suficientemente viscoso o consistente como para que las burbujas no se escapen de la crema batida.

¿Qué ventaja brinda esta condición?

Significa que estos materiales estables pueden usarse en procesos tales como recubrimientos o rellenos en alimentos, así como también en aplicaciones industriales radicalmente diferentes, como lo es el uso de espuma de hormigón. Si se piensa en un chocolate aireado, este es otro ejemplo de un fluido con burbujas, ya que las mismas se mantienen discretas y no se juntan unas con otras -como es el caso de una espuma-. En nuestras investigaciones estamos interesados en el estudio del flujo de esta clase de fluidos, debido a que lo importante es entender cómo se comportan para poder utilizarlos en un proceso industrial, para que las burbujas permanezcan discretas o juntas cuando sea necesario.

Tales fluidos con burbujas, ¿pueden diseñarse de acuerdo con nuestras necesidades?

A futuro, tal vez, si entendemos cómo se comportan estos fluidos, qué cantidad de aire incorporamos y qué comportamiento reológico necesitamos. Por lo tanto, aquí y ahora no se puede diseñar un producto porque no hemos realizado suficientes pruebas todavía.

Por ejemplo, se podría diseñar un nuevo producto para cambiar uno a base de chocolate por otro a base de mermelada, o confeccionar un dulce de leche que contenga burbujas… ¿qué tal esta idea?

Msc. Fernándes, ¿cuál es su campo de investigación específico?

Soy reólogo, estudié las propiedades mecánicas de diferentes materiales. Por lo tanto, mi experiencia se basa en el estudio del comportamiento reológico y mecánico de fluidos pertenecientes a la industria del petróleo y gas. Soy un investigador brasileño, y las universidades de Brasil son financiadas principalmente por industrias petroleras. De modo que, en mi país, hay mucha investigación sobre mecánica de fluidos aplicada a la industria del petróleo y del gas. En tanto, mi trabajo de doctorado en Cambridge es un poco diferente a todo eso. El proyecto en el que estoy trabajando se basa en la limpieza de materiales complejos con jets de agua. En la industria alimenticia, o en la cosmética, a veces coexisten capas de materiales que se adhieren a las superficies internas de los tanques o recipientes. En la limpieza de estos tanques “in situ”, sin necesidad de desmontarlos, es bastante habitual utilizar jets de agua para limpiarlos y despojarlos de estos restos de materiales adheridos. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones sobre la limpieza utilizando jets de agua que se han realizado hasta ahora no asocian el comportamiento reológico de los materiales depositados con la hidrodinámica del jet de agua.

Así llegamos al objetivo de su doctorado…

Sí, porque busco comprender y predecir cómo limpiar materiales más complejos, así como también unir el comportamiento mecánico de esos materiales con la hidrodinámica del jet de agua. La relación entre mi trabajo de tesis y lo que hemos estado haciendo aquí en Santa Fe es la posible utilización de diferentes materiales complejos, como son los fluidos con burbujas, que son muy utilizados en la industria alimenticia.

¿Cuál es su especialidad, Ian?

Soy ingeniero químico y busco aplicar los principios de la ingeniería química a varios sectores industriales. Al mismo tiempo, soy profesor de Soft Solids and Surfaces (sólidos blandos y superficies). Ejemplos de sólidos blandos son estos materiales de los que hemos estado hablando, tales como fluidos con burbujas u otros materiales más complejos que se comportan de manera inusual. El estudio de las superficies se relaciona con la forma en que estos materiales se adhieren. La limpieza es un ejemplo de este comportamiento: al ver los films de material no deseados adheridos sobre las superficies, tratamos de eliminarlos. También estudiamos los materiales que queremos adherir sobre las superficies y utilizamos herramientas de la Biología que nos permiten trabajar con diferentes industrias. Parte del personal con el que trabajamos es de la industria farmacéutica, de la industria alimenticia y de la industria cerámica.

¿Cuáles son las principales actividades realizadas conjuntamente por ambas instituciones (INTEC y la Universidad de Cambrige) hasta el momento?

Hemos trabajado solamente con una pequeña parte del INTEC, la representada por Juan Manuel, Bárbara y Susana, así que no hemos tenido la oportunidad de tener una exposición completa a las actividades del INTEC. Pero aprovecho esta ocasión para destacar lo que hicimos hace nueve años, cuando Juan Manuel y Bárbara estuvieron en Cambridge como becarios postdoctorales. Juan Manuel trabajó conmigo y uno de mis colegas para simular y modelar el flujo de fluidos a través de boquillas utilizadas en uno de los dispositivos que inventamos en Cambridge, para estudiar el comportamiento de materiales sólidos blandos sobre superficies. En tanto, Bárbara trabajó con una de mis estudiantes de doctorado en el estudio de masas para elaborar tortas (o bizcochuelos), un tipo de fluidos con burbujas. En el inicio de la entrevista aludí a la crema batida como un ejemplo de este tipo de materiales; otro ejemplo son las masas para elaborar tortas. En este caso, no podemos formar burbujas en la masa usando levadura ya que ésta no funciona bien en presencia de exceso de azúcar. Así que hay que batir para incorporar burbujas a este tipo de masas… y las burbujas no se escapan porque la masa, aunque sea líquida, es muy viscosa. En Cambridge trabajamos estudiando el comportamiento reológico de esta clase de materiales, y ese proyecto, lógicamente, nos vincula con INTEC donde hemos publicado varios trabajos al respecto. De hecho, aunque resulte difícil de creer, ese trabajo realizado con las masas para elaborar tortas nos permitió trabajar con una empresa elaboradora de espuma de hormigón. Pero luego volví a trabajar con materiales comestibles, como es el caso de este proyecto de cooperación, para estudiar fluidos con burbujas con diferentes fases continuas, particularmente de naturaleza viscoelástica o viscoplástica, para su uso en recubrimientos.

¿Se trabajó en recubrimientos?

Juan Manuel, Bárbara y Susana lo han hecho y por eso estamos cooperando en ese tema; ese es el avance lógico de lo que estamos haciendo en este proyecto. En Cambridge tenemos equipos y dispositivos que nos permiten hacer algunas mediciones experimentales, pero aquí, en INTEC, la gente ha modelado matemáticamente muchas cosas que nosotros no hemos hecho. Algo interesante en lo que estuvimos trabajando, y que es realmente emocionante, es en el desarrollo de equipos transportables que pueden usarse en una fábrica, por ejemplo, en lugar de tener que llevar el material a analizar a un laboratorio de la universidad para realizar las pruebas.
¿Es la primera vez que ambos visitan nuestra ciudad?
Rubens: sí, aunque por haber nacido en el Estado de Paraná visité la Argentina algunas veces. Allá son populares las visitas a las cataratas del Iguazú, y pude recorrerlas también por el lado argentino.
Ian: sí, la ciudad y el país. Y es el tercer país de América del Sur que conozco; antes visité Brasil y Chile.

¿Cuál es su impresión de la actividad científica local?

Ian: una de las razones por las que disfrutamos el trabajo con nuestros colegas aquí en INTEC es la calidad de sus investigaciones: son de alta calidad y reconocidas en el exterior. Nuestra impresión es que aquí los investigadores están realizando un gran trabajo con recursos limitados. Pero lo importante es que siempre pueden aumentarse los recursos, pero no siempre puede aumentarse la calidad. El enfoque de INTEC en mantener el trabajo de calidad es impresionante. Estamos muy contentos con lo que hemos visto hasta ahora.
Rubens: creo que mi opinión es bastante similar a la de Ian. Para mí, estar aquí en Santa Fe es muy agradable porque me recuerda mucho a mi experiencia en Brasil. También provengo de un país en desarrollo que tiene ciencia en desarrollo, con muchas luchas detrás. Estoy muy contento de ver cómo hay personas innovadoras aquí, como Juan Manuel y Bárbara, que intentan encontrar soluciones utilizando recursos simples. Intentan sacar lo mejor de la situación, haciendo investigaciones basadas en muchas observaciones; esto es impresionante y agradable a la vez. Estoy muy contento con los intercambios que he tenido con ambos y con los resultados que estamos obteniendo. Y estoy muy impresionado con los enlaces que podemos hacer con lo que estamos llevando a cabo en Cambridge y lo que estamos haciendo aquí en Santa Fe.

¿Hay algo que deseen agregar?

Ian: bueno, claro que sí, que Juan Manuel y Bárbara nos estarán visitando nuevamente este año y que nosotros también volveremos a realizar más visitas aquí. Nuestro grupo en Cambridge (llamado Paste, Particle and Polymer Processing group en inglés, o P4G, como lo abreviamos) está formado por gente de todo el mundo. Por ejemplo, aquí está Rubens, que es brasileño. Tenemos un grupo internacional, donde siempre es bueno compartir ideas y antecedentes que realmente enriquecen nuestras actividades. Entonces, este intercambio es una parte importante de nuestra investigación ya que diferentes personas se relacionan con un objetivo común que proviene de diferentes ideas. Eso siempre es bueno.

Entrevista en inglés y traducción: Lic. Enrique A. Rabe (ÁCS/CONICET Santa Fe). Edición: Lic. E. Rabe y Dres. Juan Manuel Peralta, Bárbara Meza y Susana Zorrilla (todos pertenecientes a INTEC/CONICET/UNL).

Esta entrevista está disponible en inglés en la Universidad de Cambridge (Reino Unido):
https://www.ceb.cam.ac.uk/news/investigating-bubbly-liquids-santa-fe-and-cambridge