Cuando un volcán entra en erupción, las cenizas chocan entre sí en la atmósfera y generan espectaculares tormentas eléctricas. En la industria, un simple movimiento de polvo puede provocar aglomeraciones, fallas de eficiencia e incluso explosiones. Y en la vida cotidiana, algo tan familiar como el café molido puede perder calidad porque las partículas se pegan entre sí antes de entrar en contacto con el agua. En todos estos casos, el fenómeno subyacente es el mismo: la transferencia de carga eléctrica entre materiales granulares, los más usados después del agua.
Aunque los granos que componen la arena, cenizas volcánicas o los polvos industriales -y hasta los planetas cuando recién comienzan a formarse- están hechos de materiales eléctricamente aislantes, cuando se tocan, se rozan o se separan, intercambian carga. Este fenómeno es conocido hace siglos, pero encierra una paradoja fundamental: ¿por qué dos granos idénticos, del mismo material y tamaño, pueden cargarse de manera distinta, incluso con signos opuestos?
Un nuevo estudio internacional publicado en Revista Nature en el cual participó el profesor del Departamento de Física (DFI) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, Dr. Nicolás Mujica, junto al profesor Francisco Gracia y la Dra. Adriana Blanco, ambos del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la FCFM, entrega una respuesta a esta interrogante. La clave no está en el volumen del material, sino en su superficie: específicamente la presencia de moléculas de carbono que se adhieren en la superficie, contaminando de forma desigual cada partícula (video).
“Durante mucho tiempo se pensó que la transferencia de carga entre granos idénticos era un proceso esencialmente aleatorio”, explica Mujica. “Lo que mostramos es que existe un parámetro muy concreto que rompe esa simetría, y ese parámetro es el estado químico de la superficie”, agrega.
La carga eléctrica
En experimentos controlados con partículas de dióxido de silicio -el principal componente de la arena- los investigadores observaron que, aun siendo todas iguales, algunas partículas se cargaban positivamente, otras negativamente y otras casi no adquirían carga. Esta variabilidad se debe a que cada grano tiene una historia distinta de contaminación superficial, en un proceso fuera de equilibrio.
“El carbono adventicio -capa de compuestos de carbono que se forma naturalmente en la superficie de casi todas las muestras expuestas al aire-, se adsorbe de manera diferente en cada partícula, dependiendo de su entorno y de los contactos previos que haya tenido. Esa diferencia microscópica, es suficiente para determinar cuánta carga se transfiere y en qué dirección”, señala el académico.
Experimento en laboratorio
El profesor Francisco Gracia explica que, como parte del experimento en laboratorio, se tomaron muestras de silicio que fueron irradiadas con luz infrarroja. “Las moléculas que están en la superficie absorben esa energía y empiezan a vibrar de manera muy característica, lo que nos permite identificar su presencia y su cantidad”. “Esto nos permite no solo identificar la presencia de estas moléculas en la superficie, sino también estimar su concentración y seguir cómo evoluciona el sistema en el tiempo”, detalla.
Uno de los resultados más relevantes del estudio es que este efecto puede controlarse experimentalmente. Al limpiar superficies -eliminando las moléculas de la superficie mediante calor o plasma-, el comportamiento eléctrico deja de ser errático. “Después de la limpieza, una partícula siempre se carga negativamente. Y si limpiamos la superficie contra la que choca la misma partícula pasa a cargarse positivamente”, explica Mujica. “Es decir, podemos llegar a invertir la polaridad de la carga”.
Este control, sin embargo, no es permanente. Con el tiempo las partículas vuelven a contaminarse al estar expuestas al ambiente. “La recontaminación puede tomar desde horas hasta meses, y durante ese proceso la carga cambia gradualmente. Eso nos permite seguir el fenómeno en el tiempo y entenderlo en detalle”, agrega.
Volcanes, café y planetas
Las implicancias del hallazgo son amplias. En la naturaleza, ayuda a comprender la formación planetaria, así como también la formación de campos eléctricos intensos en erupciones volcánicas. También la dispersión de microorganismos en la atmósfera y el rol de las cargas en la polinización, donde insectos y flores interactúan mediante campos eléctricos. En la industria, en tanto, ofrece claves para reducir riesgos asociados a descargas eléctricas y mejorar la eficiencia de procesos que involucran polvo.
Y no es todo, porque también en nuestra vida cotidiana, por ejemplo, explica por qué variables como la humedad y la carga eléctrica influyen en la calidad del café molido. “Entender cómo y por qué se transfieren cargas entre granos es fundamental en una enorme variedad de sistemas. Lo notable es que un fenómeno que parecía aleatorio está gobernado por procesos bien definidos a nivel molecular”, concluye Mujica.
La participación de los académicos en este estudio refuerza el aporte del Departamento de Física y del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la FCFM de la Universidad de Chile en investigación de frontera, conectando la física y química fundamental con problemas reales, que van desde la seguridad industrial, hasta algunos de los fenómenos más extremos de la naturaleza.