SIN FLUIDOS NO HAY VIDA Y NADIE ES PERFECTO

Manuel G. Velarde, XIII Premio DuPont de la Ciencia

Catedrático de Física del Instituto Pluridisciplinar de la Universidad Complutense de Madrid

(http://fluidos.pluri.ucm.es)

En esta edición el Premio DuPont reconoce la importancia de la física de los fluidos y de la ciencia no lineal. DuPont viene de E. I. du Pont de Nemours que, al igual que J. L. Proust, había sido colaborador y amigo de Lavoisier, el fundador de la química como ciencia. Por razones políticas, aquél, con su familia, emigró a los EE.UU. y el otro vino a España. Todos habían trabajado sobre pólvoras y algunos aspectos de la minería y de la metalurgia. Los du Pont crearon en América un complejo industrial con una sólida base investigadora ("dinero paciente" y "fe inquebrantable en la investigación") con un extraordinario sentido progresista social de mejora del bienestar de sus empleados y de la humanidad, que perdura hasta nuestros días. Proust hizo trabajos en España, particularmente en el Alcázar de Segovia, que han pasado a la historia (ley de las proporciones definidas o de la composición constante, 1799), pero de su labor aquí no queda nada. De haber tenido continuidad la labor de Proust, España habría ocupado desde entonces un lugar preeminente en el panorama de la química a nivel mundial.

Ilustremos lo que es la dinámica no lineal (lo correcto sería decir alineal, pero sonaría raro en la jerga científica y puede dar lugar a confusión si se pierde la a). Empezaré diciendo que quien no comete errores no puede ser inteligente (esto ocurre con los actuales computadores u ordenadores digitales por muy potentes y rápidos que sean; están programados para no cometer errores). Otra cosa es cometer demasiados o persistir en el error sin sacar beneficio, que son síntomas de estulticia. Inteligente es quien aprende del pasado y le saca ventaja al error. Ambas acciones son formas de realimentación (aquí reside lo no lineal) que en el segundo caso dió la evolución en la Naturaleza (lineal significa proporcionalidad entre causa y efecto; no linealidad es todo lo demás; por ejemplo relaciones en forma de leyes cuadradas o cúbicas, retardos en la respuesta, etc.).

Durante varias décadas he intentado entender cómo dinámicamente, tanto en fluidos como en otros sistemas biofísicos, fisicoquímicos, neurobiológicos, etc., se crean y se reproducen formas (autoorganización espontánea), cómo aparecen errores, cómo frente a la belleza de lo perfecto la imperfección y el error pueden ser usados beneficiosamente. Sin replicación de errores, aprovechados oportuna u oportunista-mente, no habría habido Evolución. Es la "ventaja" evolutiva, en el debido contexto histórico, de la imperfección y de la chapuza en la naturaleza que han proclamado Rita Levi Montalcini y F. Jacob. De hecho, dando los defectos es fácil identificar a una persona ("érase un hombre a una nariz pegado" o "entre el clavel y la rosa Su Majestad escoja", que se atribuyen a Quevedo). He tratado de entender cómo la reproducción dinámica, y no mero fotocopiado estático, puede conducir a la evolución por replicación, dando lugar a nuevas formas y nuevas funciones. Lo poco que he conseguido hacer para sistemas compuestos de unidades activas, imitando a las redes "neuronales", donde el espacio y el tiempo cambian discontinuamente, por separado o ambos a la vez, lo he recogido en un libro reciente donde al final especulo sobre cómo imaginar robots "inteligentes". Su programación habría de ser sólo metodológica (una vez adquirida memoria, cómo tomar "decisiones"), con inteligencia descentralizada, a diferencia del caso humano, y habrían de ser híbridos de computador analógico y digital.

La física, físicoquímica e ingeniería de los fluidos y sus corrientes van de lo minúsculo a lo cosmológico pasando por la atmósfera y el océano. En nuestro nivel, se abarcan escalas muy amplias, pues no es lo mismo el comportamiento de un automóvil a baja velocidad que cuando va muy deprisa. La temática es muy amplia y me limitaré a citar tres temas en los que he estado interesado: i. la aparición y desarrollo de curiosas formas convectivas, como caso emblemático de autoorganización espontánea (material recogido en dos libros recientes); ii. la excitación y desarrollo de un tipo particular de olas, ondas solitarias o solitones, análogas a las que en ocasiones acaban siendo devastadores tsunami (material recogido en otro libro); y iii. el desparramo o esparcimiento de un líquido sobre un sólido -liso o poroso- o sobre otro líquido -inmiscible con aquél- como es el caso del petróleo sobre el mar o del aceite de oliva sobre el agua (material objeto de un libro en curso de redacción):

i. Cuando una somera capa de líquido abierta al aire ambiente es calentada por su base, su estado de reposo evoluciona hacia un estado de convección celular estructurada en paralelepípedos hexagonales, en los que el líquido sube por el centro y baja por la periferia. Se rompe así la homogeneidad de la superficie estableciéndose un panel de abeja. El motor es la variación de la tensión superficial del líquido con la temperatura. Cuando el calentamiento supera un umbral, hay suficiente tracción para fluir ininterrumpidamente. Salvo al principio, la geometría del contenedor no afecta a la forma convectiva final, que nunca es perfecta. El error típico es una pareja hepta-pentágono en vez de dos hexágonos. Tal imperfección tiende espontáneamente a marcharse al borde y si se la dejase salir hacia otro contenedor allí reproduciría la estructura hexagonal entera; ese es el papel "creador" del defecto.

ii. Muy diferente es el resultado de calentar por arriba en vez de por abajo, o sea calentar desde el aire o enfriar desde la base, o permitir que el líquido absorba un gas que juega papel similar al del calor. Gracias a la colaboración de H. Linde, C. I. Christov y A. Wierschem, hemos podido observar, experimental y numéricamente, cómo se excitan ondas en la superficie, olitas aisladas o trenes de ondas con propiedades extraordinarias; por ejemplo se pueden cruzar, chocar, adelantarse unas a otras o reflejarse en las paredes sin apenas deformarse y mostrando propiedades curiosas, anómalas. Esas propiedades son muy parecidas a las de aquellas olas que desde el océano al entrar en puertos dan lugar a tsunami. Hay tsunami que tienen su origen en Alaska tras un maremoto; al principio sólo tienen un metro de altura, aunque se extienden de cien a doscientos kilómetros de longitud en un océano de cuatro kilómetros de profundidad (matemáticamente se dicen que son aguas "someras" para la ola); navegan a ochocientos kilómetros por hora hasta alcanzar Hawai, donde al entrar en puerto, suben hasta treinta metros de altura y así devastan la costa (para hacerse una idea, por metro de frente de onda llevan una potencia equivalente a un enorme camión). Como tales ondas se comportan en los choques como partículas, las denominé "solitones disipativos" pues, al igual que con la convección en celdas hexagonales, se gasta energía en crearlos y en mantenerlos continuamente con el calentamiento antes citado. Así, pues, en una vasijita cuadrada de dos cm de lado o en una circular de cuatro cm de diámetro, se han podido estudiar las propiedades de fenómenos extraordinarios que en la naturaleza ocurren a escala muy diferente (en el Estrecho de Gibraltar aparecen ondas similares de hasta cien metros de altura en la picnoclina o entrefaz que separa la contracorriente de agua atlántica por arriba de la mediterránea por debajo, que también he estudiado con E. G. Morozov y K. Trulsen).

iii. Benjamin Franklin mostró experimentalmente en 1773 cómo una cucharada de aceite al esparcirse sobre el agua de un estanque llegaba a ocupar hasta un cuarto de hectárea. Ello se debe a que la película de aceite es tan delgada que sólo emerge del agua una molécula de talla nanométrica. Recientemente, en colaboración con V. M. Starov, he estudiado cómo se esparce una gota sobre otro líquido inmiscible o sobre algo así como una tostada. Cada experimento proporciona resultados que en valor absoluto son genuinos, pero relativos, normalizados -referidos- a las longitudes y los tiempos totales del proceso, son describibles mediante una ley universal. El esparcimiento del líquido en superficie va de par con la progresión horizontal del líquido embebido, luego ésta va más deprisa y después la gota sobre la superficie se encoge hasta que desaparece.

El aceite no se disuelve en el agua, pues agua y aceite son inmiscibles. Por eso no hay manera de limpiar una sartén lavándola sólo con agua. Tampoco se lava una camisa manchada de grasa aclarándola sólo con agua. Usamos jabón o detergente añadido al agua. Felizmente, las moléculas de jabón son ambivalentes, añadidas al agua se pegan con la cola a la grasa o al aceite, o sea se colocan en la entrefaz de ambos líquidos, modificando así la tensión interfacial aceite-agua, de ahí que el jabón sea tensioactivo. Las gotas de aceite o manchas de grasa rodeadas de moléculas de jabón son presa fácil para el chorro de agua del grifo que se las lleva en suspensión. La sartén o la camisa quedan limpias y aclaradas.

Parte de la investigación que he desarrollado en la última década ha sido para entender cómo se esparce o se comporta un líquido cuando se añaden diversos tensioactivos o se varía su cantidad. El tensioactivo puede mejorar la impregnación de un sólido haciendo el esparcimiento más rápido. El tensioactivo es un contaminante. Añadiendo contaminantes se pueden cambiar controladamente las propiedades del flujo internas o interfaciales de un líquido.

DuPont se ha ocupado de tensioactivos y de muchas otras cosas con una estrategia sencilla desde el principio: fomentar la investigación básica y aplicada, contratando a personas de alto nivel y prestigio o a gente de potencial extraordinario con amplia libertad en sus pesquisas. Sirva de botón de muestra el descubrimiento del Teflon®. Este material es un polímero fluorado descubierto por chiripa por R. Plunkett. Trataba de obtener fluidos refrigerantes no venenosos y, sin buscarlo, polimerizó gas tetrafluoroetileno comprimido, dando un polvo blanco de politetrafluoroetileno. En vez de tirar a la basura ese polvo, lo analizó e inventó el Teflon®; instrumental para múltiples usos por su resistencia a la corrosión. Luego vino la utilización en utensilios de cocina, electrónica, tejidos…Al echar aceite o agua a una sartén teflonada, ninguno se adhiere pues deslizan magníficamente. Tras freír un huevo, éste no se queda pegado: una maravilla de la ingeniería ... pero sobre todo de la ciencia.

La ciencia es parte de la cultura y uno de los más grandes logros del pensamiento racional, de la especie humana.