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Físicos crean por primera vez en laboratorio la estructura de “espuma perfecta” de Weaire-Phelan

29 noviembre 2011 - 22:08 - Autor:


Fotografia de la estructura de Weaire-Phelan materializada en el experimento.

Investigadores del Trinity College de Dublín han anunciado la fabricación de la primera “espuma de Weaire-Phelan”, un concepto teórico de distribución optimizado de burbujas que hasta ahora no podía haber sido reproducido en el laboratorio.

Se trata de un hallazgo que haría saltar de alegría en su tumba al mismísimo Lord Kelvin (a.k.a William Thomson, el famoso físico irlandés) cuando allá por 1887 se sentó sobre su cama y se preguntó “¿Cuál es la estructura ideal (de menor energía) que puede adoptar una espuma?”.

Lord Kelvin se preguntó cómo podría particionarse el espacio en celdas de igual volumen con el área más pequeña de contacto entre las burbujas, la forma de la espuma de pompas de jabón más eficaz posible.

Durante más de un siglo, los teóricos han estado intrigados con esta pregunta (que se conoce como la “conjetura de Kelvin”) y ahora la historia ha dado un nuevo giro.

La respuesta de Lord Kelvin por entonces fue que la estructura ideal sería la formada por burbujas del mismo tamaño organizadas con forma de panal cúbico bitruncado, lo que entonces se conoció como la “estructura de Kelvin”, un poliedro que llena el espacio con 14 lados: seis lados cuadrados y ocho caras hexagonales, a condición de que las caras sean un poco curvada para adaptarse mejor a las Leyes de Plateau, que gobiernan las estructuras de las burbujas de jabón en las espumas.

Aquello fue sólo una conjetura de un gran hombre, pero que ha estado más de 100 años sin contra-ejemplos que la soplen. Hasta que su espíritu generoso fue gratificado a mediados de los 90 por el descubrimiento realizado por los también irlandeses Denis Weaire y Robert Phelan, que plantearon otra estructura de menor energía que la suya.

Esta estructura se calculó en 1994 en el Trinity College de Dublín, con la ayuda de un software. La estructura de Weaire-Phelan utiliza dos tipos de celdas de igual volumen: un dodecaedro pentagonal irregular y un tetracaidecaedro con dos hexágonos y doce pentágonos, otra vez con caras ligeramente curvadas.

El área de superficie es 0.3% menor que la de la estructura de Kelvin, lo que en este contexto supone una diferencia considerable. Pero los físicos irlandeses no pudieron hacerla realidad más allá de la pantalla de un ordenador.

Sin embargo, su hipotética espuma alcanzó el estátus de verdadero icono cuando se la copiaron los chinos para utilizarla en el diseño del recubrimiento exterior de “El Cubo de Agua” del Centro Acuático de los Juegos Olímpicos de Beijing.

Muchos millones de personas han admirado desde entonces su elegante marco de vigas de acero y plástico, que sigue el patrón superficial de la espuma ideal de Weaire-Phelan.

Ahora por fin esta espuma existe en la realidad en todo su volumen, gracias al trabajo de un equipo dirigido por Ruggero Gabbrielli de la Universidad de Trento. Ruggero, reconociendo que los fracasos anteriores podrían atribuirse a la forma de los envases usados para contener las burbujas, diseñó un recipiente cuyas paredes podían dar cabida a las burbujas Weaire-Phelan.

Los contenedores normales tienen paredes planas, entre las cuales la espuma de Weaire-Phelan no se asentarán muy cómodamente, así que supuso que un recipiente con paredes más flexibles en las que pudiera encajar la espuma WP (como una pequeña “caja mágica” de Beijing) podría alentar a que ésta se formara y fuera estable.

Lo hizo en el centro de nanotecnologia del Trinity College junto con la ayuda del norteamericano Stefan Hutzler y demostró ser un éxito instantáneo cuando las burbujas del tamaño adecuado se introdujeron en el “envase”. Cuando se lleno este recipiente con las burbujas, 1500 burbujas en seis capas, estas se ordenaron automáticamente con la estructura de Weaire-Phelan. Lo habían conseguido.


¿Podría la nueva espuma ser de alguna utilidad práctica? No de inmediato.”Vamos a admirar su extraordinaria belleza primero” afirman los físicos (que se lo han ganado). Pero en forma solidificada y en varias escalas podría encontrar aplicaciones como filtros químicos, intercambiadores de calor, componentes ópticos…

Los resultados sobre la materialización de la estructura de Weaire-Phelan han sido publicados en la revista Philosophical Magazine Letters del pasado 25 noviembre de 2011. Por cierto, esta es la misma revista en la que tanto Lord Kelvin (en 1887) como Weaire&Phelan (en 1993) publicaron su trabajo sobre la estructura de la espuma ideal.

Seguro que a los tres físicos les hubiera gustado, como buenos irlandeses, celebrar con una buena pinta de Guinness llena de espuma este magnífico descubrimiento.


Denis Weaire, Aaron Meagher, el Dr. Ruggero Gabbrielli y el Prof. Stefan Hutzler, con una escultura de la estructura de Weaire-Phelan.

Fuentes y fotos: Trinity College, Nature, Nature BlogWikipedia

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