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La misteriosa acción a distancia entre líquidos podría ser algo común

Hace unos años, se descubrió que el helio superfluido cuando se ubica en “tanques” colocados unos junto a otros, actúa colectivamente, aunque no haya fluidez entre dichos contenedores. Ahora, un equipo internacional de físicos ha desarrollado un modelo teórico que señala que este fenómeno puede ser más común de lo que se pensaba, pues se puede dar también en fluidos de componentes clásicos, así como en mezclas. El modelo ha sido demostrado con simulaciones informáticas.

La misteriosa acción a distancia entre líquidos podría ser algo común

El superfluido es un estado de la materia que se caracteriza por la ausencia total de viscosidad. El fenómeno se da a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto (−273,15 ºC) en el que casi todos los elementos se congelan. Pero hay una excepción: el helio.

Desde hace varios años, se sabe además que el helio superfluido, cuando se ubica en “tanques” colocados unos junto a otros, actúa colectivamente, incluso cuando los canales que conectan estos depósitos son demasiado estrechos y largos para permitir un flujo sustancial entre ellos.

Es decir, que entre depósitos de helio superfluido prácticamente desconectados se daría la misma y misteriosa “acción a distancia”   que se produce en las partículas subatómicas, según las descripciones prerrelativistas de los campos de fuerza.

Ahora, un nuevo modelo teórico desarrollado, entre otros, por la física Anna Maciołek, del Instituto de Física Química de la Academia de las Ciencias Polacas (IPC PAS) ha revelado que este fenómeno de la comunicación «a distancia» entre depósitos de líquido es mucho más común de lo que se pensaba y puede darse en condiciones mucho más corrientes.

Actuando como un todo físico

El estudio en que se constató por vez primera la «acción a distancia» entre reservorios de helio superfluido fue publicado en 2010 en la revista Nature Physics.

En aquel caso, un equipo de la Universidad de Buffalo y de la Universidad Estatal de Nueva York desarrolló un sistema de decenas de millones de huecos para helio líquido, dentro de una placa de silicio.

Cada pequeño depósito consistía en un cubo con un borde de dos micras (millonésimas de metro). Los depósitos tenían entre ellos una separación de seis micras. La placa preparada fue cubierta completamente por otra placa de silicio completo. Como consecuencia, quedó un espacio muy estrecho por encima de los depósitos, de sólo 32 nanómetros (milmillonésimas de metro), que permitió llenar todos los depósitos con el helio líquido.

Estas dimensiones tan compactas hicieron que el flujo significativo de helio entre los depósitos fuera prácticamente imposible. Por tanto, los científicos esperaban que, tras verter el helio líquido en ellos, en cada uno de los depósitos este elemento se comportara de manera distinta. Pero no fue así: cuando se midió el calor específico del helio líquido en cada depósito y en todo el sistema se comprobó que el helio superfluido, aparentemente dividido en millones de depósitos independientes, inexplicablemente siguió actuando como si aún fuera un todo físico.

Distinta escala, el mismo fenómeno

«Vamos a cambiar la escala por un momento, y a imaginar contenedores cúbicos de dos metros de lado cada uno. Cada par de contenedores está conectado por un tubo de cuatro metros de largo, con un diámetro de tres milímetros. Según las teorías existentes, un canal tan pequeño no debería sincronizar los fenómenos que ocurren en los contenedores y, sin embargo, ¡en el micromundo sucede!, afirma Maciołek en un comunicado del IPC PAS.

El helio superfluido es un líquido cuyas propiedades son, en gran medida, fruto de los fenómenos cuánticos, por lo que inicialmente pensó que ahí radicaba la clave de los resultados obtenidos en el experimento de 2010.

Pero, según una teoría desarrollada por Maciołek -en colaboración con el profesor Douglas Abraham, de la Universidad de Oxford- para describir este fenómeno observado, el efecto de «acción a distancia» no requiere de la física cuántica y también puede ocurrir en fluidos de componentes clásicos, así como en mezclas. Esta teoría ha sido confirmada a través de simulaciones informáticas llevadas a cabo por Oleg Vasiliev, del Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme de Alemania.  

Condiciones necesarias

Los análisis de este nuevo modelo teórico han revelado asimismo las condiciones en que esto puede suceder con otros líquidos. El requisito más importante para que se dé el fenómeno sería la proximidad de una transición de fase, es decir, aquel estado en que dos formas o fases diferentes del líquido pueden ocurrir simultáneamente.

Así, en el experimento con helio, este debía encontrarse en un estado cercano a la aparición (o desaparición) de la superfluidez. Para otros fluidos, como la mezcla de agua y lutidina –preparado modelo de agua con aceite- las temperaturas precisas para la cercanía de la transición de fase no serían tan bajas.

Por otra parte, también resultan clave las dimensiones de los depósitos y los canales de conexión entre el contenido de diversos depósitos para la aparición de la “acción a distancia”: este fenómeno deja de existir cuando las distancias entre dischos reservorios son significativamente más grandes que el tamaño de las células humanas.

Potenciales aplicaciones

Los resultados de estos experimentos, publicados en la revista Physical Review Letters, podrían aplicarse, entre otros, a los sistemas de microfluidos, con los que se estudia el comportamiento de los fluidos en la microescala y la mesoescala.  

Por ejemplo, sistemas de este tipo se desarrollan para llevar a cabo experimentos biológicos en gotitas individuales. Los tamaños de los contenedores y los canales en dichos sistemas son tan pequeños que en ellos se podría producir la «acción a distancia». Esta podría considerarse a partir de ahora como un efecto no deseado, que distorsione los resultados de los experimentos, o por el contrario, como un factor introducido intencionadamente para aumentar la funcionalidad del sistema.

Referencia bibliográfica:

D. B. Abraham, A. Maciołek, O. Vasilyev. Emergent Long-Range Couplings in Arrays of Fluid Cells. Physical Review Letters (2014). DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.077204.
 

RedacciónT21

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