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Universidad Nacional del Sur - Departamento de Física

28 de Agosto de 2023 | 5 ′ 35 ′′

Espaguetis, serpientes y materiales poliméricos: investigadores comprobaron una famosa analogía

Dos investigadores de la Universidad Nacional del Sur y el Conicet comprobaron la validez de una analogía popular utilizada en la ciencia y popularizada en el cine. Se trata de la comparación entre fideos o invertebrados para explicar cómo se entrelazan los materiales poliméricos.

Las serpientes enredadas, una analogía clásica para explicar cómo se entrelazan los polímeros

Un joven Indiana Jones corre por el techo de un vagón de tren, escapando de sus perseguidores con la Cruz de Coronado en el cinto, hasta que el techo cede y cae en un contenedor lleno de serpientes todas enredadas. Allí, donde nació el mayor miedo de este héroe-científico –que en su madurez será aventurero pero además arqueólogo y profesor universitario– también nació su principal arma: en el vagón siguiente encuentra un látigo, una forma inerte de serpiente, si se quiere, que lo acompañará en escenas épicas de cinco películas.

Veinte años después, Indiana tiene a Marion en sus brazos y, alrededor suyo, en una cámara subterránea en algún lugar de Egipto, miles de serpientes acosan al cinematográfico arqueólogo enredadas como tallarines en un plato… Las populares escenas de esta saga pochoclera son un buen ejemplo –bastante usado por los físicos- para explicar cómo se entrelazan los materiales poliméricos. Los polímeros son macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (conocidas como monómeros) que se repiten a lo largo de toda la cadena. Un ejemplo habitual para ilustrarlo es un collar de perlas: cada una de las perlas sería un monómero mientras que el collar entero es lo que se conoce como polímero. Pero las serpientes o los fideos son ejemplos que los físicos usaron por décadas de manera intuitiva, sin comprobación… hasta ahora.

La última edición de Soft Matter, una revista científica de la Royal Society of Chemistry, publicó en su tapa un artículo en el que participaron dos investigadores del Departamento de física y el Instituto de Física del Sur, que proporcionó la primera evidencia experimental de esta analogía.

“Estas analogías que comparan los polímeros lineales con tallarines o serpientes son útiles para que el público en general entienda la idea, pero no sólo ilustran el concepto, sino que forman la base de la física de polímeros. Sin embargo, la similitud entre estos sistemas macroscópicos y polímeros en términos de topología seguía siendo incierta, nunca se había comprobado antes”, explicaron a Argentina Investiga los doctores Leopoldo Gómez y Nicolás García, del Departamento de Física de la Universidad Nacional del Sur (UNS) y el Instituto de Física del Sur (UNS-Conicet), y el doctor Thorsten Pöschel, un investigador alemán de la Universidad de Erlangen-Nuernberg, director del laboratorio en el que se llevaron a cabo los experimentos, donde cuentan con un tomógrafo para aplicaciones no médicas.

Los polímeros son materiales cuyas características principales son la resistencia y la elasticidad. Por eso, ya sean polímeros naturales –como la celulosa que forma la mayor parte de la biomasa terrestre y que contienen la madera, el papel y el algodón, o los industriales– están presentes prácticamente en todas las actividades de la vida cotidiana: caños, bolsas, neumáticos, botellas, telas, selladores, pinturas, aislantes… De hecho, casi todo material cuyo nombre comience con el prefijo “poli” (poliestireno, poliamidas, poliuretano, etcétera) es un polímero.

“Para este experimento decidimos usar bandas elásticas confinadas en un cilindro como modelo, y tomografías de rayos X para capturar la estructura del sistema en 3D y aplicar herramientas de inteligencia artificial que nos ayudaron a procesar los datos del sistema. Así pudimos medir cantidades que tienen significado físico en el sistema macroscópico –es decir, en el orden de los centímetros– y compararlas con otras magnitudes medibles en sistemas moleculares, del orden de los nanómetros”, explicó García.

Estos hallazgos proporcionan la primera evidencia experimental de que la analogía no es sólo una idea gráfica, ya que muchas de las magnitudes físicas que midieron en el sistema macroscópico aplican y son válidas y comparables con el sistema microscópico.

“Encontramos que, de manera similar a los polímeros lineales, el número promedio de enredos aumenta linealmente con la longitud de las bandas. Además, observamos que los enredos son menos frecuentes cerca de la superficie del contenedor, donde también hay más extremos, similar a lo que se ha visto en los polímeros confinados”. Esto significa que si el polímero es más largo, la posibilidad de enredarse es mayor, y que los enredos son mayores a medida que nos alejamos de las paredes y de los bordes del contenedor.

“La idea de comparar sistemas macroscópicos y de la vida diaria con lo que sucede a nivel molecular y atómico está inspirada en los trabajos de pioneros como John Desmond Bernal –mentor de varios Premios Nobel–, quien utilizando esferas y cilindros como enlaces atómicos pudo entender cómo se ordenan molecularmente varios materiales”, ilustró el doctor García.

Probablemente, en un contenedor, cientos de látigos como el favorito de Indiana Jones también se mezclarían siguiendo los patrones descubiertos por estos investigadores. Su comprobación sería posible, y quizás más divertida que usar bandas elásticas, aunque quizás también, pensando en la forma en la que se hizo su característica cicatriz el taquillero arqueólogo… más peligrosa.

Soft Matter (https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/SM/D3SM00148B)

Leopoldo Gómez y Nicolás García en el IFISUR

Producción Periodística:
Marcelo Tedesco

Responsable Institucional:
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