Hay cosas que, de tan comunes, apenas notamos. El esfuerzo para sacar el kétchup (que tiene su ciencia) de una botella, o la manera en que fluye la pasta de dientes sobre el cepillo, son acciones que no solemos cuestionar. Sin embargo, detrás de esos comportamientos se esconden fenómenos físicos complejos. ¿Por qué ciertos líquidos fluyen con facilidad hasta que, de pronto, parecen volverse sólidos? Esa transformación inesperada ha sido un desafío para ingenieros, químicos y físicos por igual.
Un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences por un equipo del Instituto Federal de Tecnología de Zúrich (ETH Zurich), liderado por Lucio Isa, se mete hasta el fondo de esta cuestión. Mediante un experimento inusualmente preciso, con una única partícula atrapada, han conseguido medir fuerzas microscópicas con un nivel de detalle sin precedentes. Lo que han descubierto podría tener consecuencias importantes para industrias que van desde la alimentación hasta la electrónica. Tal como afirman los autores, “la aparición de restricciones locales que limitan el movimiento relativo de las partículas durante el flujo es la causa del espesor repentino en estas suspensiones”
Rodar o deslizar: esa es la cuestión
El corazón del estudio está en la fricción. No la que sentimos al arrastrar una caja por el suelo, sino la que ocurre entre partículas de apenas unas micras (milésimas de milímetro) de tamaño. En suspensiones densas —como el kétchup, la pasta de dientes o el cemento— estas partículas están tan apretadas que su modo de interactuar determina si el fluido fluye suavemente o se vuelve espeso de repente.
El equipo del ETH desarrolló una técnica llamada microscopía de fuerza atómica con sonda coloidal para medir cómo interactúan dos superficies a nivel microscópico. Lograron “medir simultáneamente las fuerzas normales y tangenciales intercambiadas entre superficies diseñadas y micropartículas mientras se seguía su deslizamiento y rodadura relativa”. Esto les permitió, por primera vez, cuantificar la fricción tanto de deslizamiento como de rodadura entre partículas individuales.
El hallazgo clave fue que cuando las partículas pueden rodar unas sobre otras, la fricción es mínima y el fluido se comporta de forma estable. Pero si esa rodadura se bloquea y las partículas deben deslizarse, la fricción se dispara, y con ella la viscosidad. Esto ayuda a entender por qué un fluido puede volverse repentinamente más espeso al aplicar presión.
Diseñar superficies para controlar el flujo
Uno de los grandes aportes del estudio es que no todas las partículas actúan igual. La rugosidad y la adhesión de la superficie cambian completamente el resultado. Las partículas rugosas, por ejemplo, tienden a rodar más fácilmente porque sus irregularidades se enganchan con las de otras partículas, actuando casi como engranajes. En cambio, las partículas suaves y recubiertas con polímeros resbaladizos apenas ruedan, incluso bajo presión.
Como afirman los autores, “la rugosidad de la superficie induce rodadura debido al enclavamiento de asperezas dependiente de la carga, lo que conduce a grandes rotaciones de partículas fuera del eje”. Es decir, que cuanto más rugosa sea la superficie, más probable es que la partícula ruede en lugar de deslizarse, reduciendo la fricción.
Esto abre una vía fascinante: la ingeniería de superficies como herramienta para controlar la fluidez de materiales. En la práctica, esto significa que podríamos diseñar partículas que mantengan un flujo estable incluso en condiciones extremas, simplemente modificando su textura o adhesividad.
Un instrumento para ver lo invisible
Para llegar a estas conclusiones, los investigadores tuvieron que superar retos técnicos importantes. El sistema que idearon implica un soporte impreso en 3D con láser, unido a un microscopio de fuerza atómica. Dentro de ese soporte, colocaron una sola partícula esférica de sílice de 12 micras. Luego, desplazaron esta partícula sobre una superficie plana mientras medían la fuerza que se ejercía en cada movimiento y registraban su rotación.
Este dispositivo permitió distinguir entre movimientos de deslizamiento y de rodadura con una precisión sin precedentes. La clave estuvo en analizar los patrones de fluorescencia de las partículas decoradas con marcadores ópticos: cualquier rotación producía un cambio detectable en las imágenes.
Gracias a esta configuración, pudieron calcular el “coeficiente de fricción por rodadura sin dimensiones, equivalente al coeficiente de fricción de deslizamiento”. Este tipo de mediciones no se había logrado hasta ahora con tanta claridad, y su aplicación podría ser decisiva para simular y predecir el comportamiento de suspensiones densas.
Un comportamiento inesperado: cuando los líquidos se espesan bajo presión
Algunos materiales cotidianos fluyen con facilidad hasta que, de pronto, se resisten. El kétchup, por ejemplo, no sale de la botella hasta que se le aplica un golpe. Este cambio repentino en la fluidez no es un capricho, sino una propiedad física bien estudiada: el espesamiento por cizalladura. Ocurre cuando las partículas en suspensión pasan de moverse libremente a bloquearse unas con otras, lo que incrementa la fricción y hace que el fluido se vuelva mucho más viscoso.
Los resultados del experimento ayudan a entender este fenómeno a nivel microscópico. Si las partículas pueden rodar, el fluido se mantiene estable. Si deben deslizarse, la fricción aumenta y aparece el espesamiento. Este tipo de transición no se observa en todos los líquidos, sino en una categoría especial: los fluidos no newtonianos.
¿Qué son los fluidos no newtonianos?
Son aquellos cuya viscosidad cambia según la fuerza aplicada. A diferencia del agua o el aceite, que fluyen igual sin importar cuánto los agitemos, estos fluidos pueden volverse más líquidos o más sólidos según el caso. Algunos, como el kétchup, se vuelven más fluidos al agitarlos. Otros, como la maicena con agua, hacen lo contrario: se endurecen bajo presión. La pasta de dientes, el cemento, las cremas cosméticas y muchas pinturas también pertenecen a esta categoría.
Este tipo de comportamiento es clave en la industria y en productos de uso diario, y solo ahora empezamos a entender cómo controlarlo a partir de lo que ocurre entre partículas individuales.
Cuando las partículas se pegan: el efecto de la adhesión
Además de la rugosidad, los investigadores también estudiaron el papel de la adhesión, es decir, la tendencia de las partículas a pegarse entre sí. Para esto, usaron un polímero llamado PNIPAM, que cambia su comportamiento según la temperatura. A bajas temperaturas, las partículas recubiertas con este polímero son hidrofílicas y poco adhesivas. Pero al calentarlas por encima de los 30 °C, se vuelven hidrofóbicas y mucho más pegajosas.
Los resultados fueron claros: a mayor adhesión, más probabilidades de rodadura y menos fricción cuando las partículas son libres de moverse. Sin embargo, si la rodadura se bloquea —por ejemplo, cuando las partículas están rodeadas por muchas otras—, la adhesión se convierte en una fuente de fricción adicional. Este efecto es clave para entender fenómenos como el “espesamiento por cizalladura” o shear thickening, en el que un líquido se endurece súbitamente cuando se lo agita o se le aplica fuerza.
Como explican los autores, “cuando se impide la rodadura dentro de una red de contactos, por ejemplo, debido a rugosidad y adhesión, la fricción aumenta fuertemente, lo que conduce a un espesamiento más intenso”.
Más allá del laboratorio: implicaciones industriales
Estos descubrimientos no son solo interesantes desde el punto de vista científico. Tienen aplicaciones concretas. En la fabricación de circuitos electrónicos, por ejemplo, se usan pastas de soldadura densas que deben fluir con precisión a través de boquillas muy finas. Si el material se espesa de golpe, el sistema puede obstruirse. Entender qué condiciones favorecen la rodadura en lugar del deslizamiento permite evitar estos bloqueos y mejorar el proceso.
Lo mismo aplica al cemento, la pintura, los cosméticos o los alimentos procesados. Cualquier industria que trabaje con suspensiones densas podría beneficiarse del diseño de partículas que optimicen su flujo. Además, al disponer ahora de datos reales sobre fricción por rodadura, los ingenieros podrán construir modelos informáticos mucho más fiables para simular estos sistemas.
Una herramienta para diseñar mejores materiales
Uno de los aspectos más prometedores del estudio es su potencial como plataforma experimental para explorar otras variables: tamaño de partícula, composición química, tipo de líquido, temperatura, pH. El enfoque es modular y podría adaptarse fácilmente a otras investigaciones.
Además, el trabajo aporta un dato esencial: los contactos entre partículas no solo se deslizan o ruedan, sino que también giran en múltiples direcciones. Las partículas rugosas, por ejemplo, tienden a girar de forma errática, mientras que las lisas y adhesivas ruedan de manera más uniforme. Este detalle afecta la duración de los contactos y la transmisión de fuerzas dentro del fluido.
Según los autores, “los contactos entre partículas libres claramente permiten rotaciones en todas las direcciones, dependiendo de la geometría del contacto y las fuerzas interparticulares”. Esto cambia por completo nuestra forma de entender los fluidos complejos y abre el camino hacia suspensiones con propiedades ajustables a voluntad.
Referencias
- Simon Scherrer, Shivaprakash N. Ramakrishna, Vincent Niggel, Chiao-Peng Hsu, Robert W. Style, Nicholas D. Spencer, Lucio Isa. Characterizing sliding and rolling contacts between single particles. Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 122, n.º 10, e2411414122 (2025). https://doi.org/10.1073/pnas.2411414122.
