Alfredo Campos Mejía/Centro de Investigaciones en Óptica/León, Gto.-La Estación Espacial Internacional es un laboratorio en órbita a 400 km de altura en el que se prueban nuevas tecnologías, se estudia la respuesta del cuerpo humano a la ingravidez y se realizan otras investigaciones científicas, como una muy reciente sobre termodifusión en la que se usaron métodos desarrollados en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO).
La difusión no está lejos de la vida cotidiana, es un proceso por el que una sustancia se transporta de una zona de mayor concentración a otra de menor concentración debido al movimiento de sus moléculas, y ocurre al mezclar bebidas, preparar alimentos y hasta en nuestro cuerpo. Gracias a ella podemos vivir ya que cuando inhalamos, el oxígeno del aire se difunde en la sangre para ser llevado a las células.
Algunas mezclas se pueden separar en sus componentes si se aplica una diferencia de temperaturas en los extremos del recipiente que las contiene: las partículas de un tipo se desplazan al lado frío y las otras al caliente. A este fenómeno se le conoce como termodifusión, y junto con la difusión es importante en aplicaciones sobre hidrocarburos, medicamentos, sistemas biológicos, etc.
Aunque muchos sistemas de interés están formados por varios componentes, se ha encontrado que las mezclas de 3 sustancias pueden usarse como modelo teórico para el estudio de sistemas con más componentes.
El 15 de febrero de 2018, la revista científica “Microgravity-Science and Technology” publicó los resultados de una investigación sobre termodifusión en una mezcla de agua, etanol y trietilenglicol llevada a cabo en la Estación Espacial Internacional para eliminar el efecto de la atracción de la gravedad en el proceso [1].
El etanol es un componente de las bebidas alcohólicas, y el trietilenglicol es un derivado del etilenglicol (que se utiliza como líquido refrigerante en los automóviles) que tiene aplicaciones en la industria petroquímica. En el experimento, un pequeño recipiente transparente con los 3 líquidos en su interior fue calentado para conocer los cambios de composición de la mezcla con el tiempo.
Al tratarse de líquidos transparentes, no es posible percatarse “a ojo” de lo que sucede, pero gracias a técnicas ópticas se le puede seguir la pista a lo invisible. La luz es una poderosa herramienta ampliamente utilizada para hacer mediciones llamadas no invasivas porque, a diferencia de otros métodos, con ella no es necesario tocar o destruir lo que se quiere medir [2].
Para estudiar la termodifusión al variar la temperatura se utilizó un láser como fuente de luz y una cámara digital de 2 megapixeles como detector. La luz del láser se hizo pasar por dos caminos distintos antes de juntarse nuevamente al llegar a la cámara digital: en uno de ellos atravesó el recipiente con los líquidos, y en el otro pasó por afuera.
Ya que la luz se comporta como una onda (parecido a las ondas sobre la superficie del agua cuando cae una piedra), estos dos haces de luz pueden reforzarse o anularse en cada pixel del sensor de la cámara: si llegan al mismo tiempo las partes más altas (llamadas crestas) de ambas ondas de la luz se produce una interferencia constructiva (las ondas se refuerzan) y en ese pixel se detecta un brillo máximo.
Si se recibe la parte más baja de una de las ondas de la luz, y la más alta de la otra se produce interferencia destructiva (las ondas se suprimen) y en ese pixel se detecta oscuridad. A estos dispositivos que hacen interferir haces de luz para poder medir una propiedad de interés se les llama interferómetros.
Como la velocidad de la luz depende del medio por el que viaja, los cambios de composición en la mezcla hacen que la luz que pasó por ella llegue con cierto retardo a cada pixel del detector, lo que origina interferencias constructivas y destructivas. En la cámara, esto se manifiesta como un patrón de franjas claras y oscuras que cambia con el tiempo (parecido al aspecto de la piel de una cebra).
Tomando fotografías en diferentes momentos es posible seguir la evolución de esas franjas, que contienen en forma codificada información sobre el mezclado de los líquidos por termodifusión. El problema final consistió en extraer esa información de las imágenes mediante algoritmos matemáticos de análisis de datos, y para ello el equipo de investigadores recurrió a métodos que se describen en un libro de referencia sobre el tema escrito por los doctores Manuel Servín, José Moisés Padilla (ambos investigadores del CIO) y Juan Antonio Quiroga [3].
Esto es una muestra de la calidad del trabajo hecho por científicos mexicanos, y la manera en la que se construye el conocimiento: las nuevas aportaciones se basan en las contribuciones previas de otros investigadores obtenidas en diferentes partes del mundo (y ahora también fuera de él).
1. El nombre del artículo científico es: “Thermodiffusion in Ternary Mixtures of Water/Ethanol/Triethylene Glycol: First Report on the DCMIX3-Experiments Performed on the International Space Station”, y fue escrito por W. Köhler y 18 investigadores más de Alemania, Francia, España, Bélgica, Holanda y Rusia.
2. La interferometría es un campo de la óptica que tiene importantes aplicaciones prácticas en la industria, la medicina, etc. Con la luz se puede medir: longitud, composición química, esfuerzos internos, temperatura, velocidad, presión, se puede recuperar la forma 3D de los objetos, etc.
3. Servin, M., Quiroga, J.A., Padilla, J.: “Fringe Pattern Analysis for Optical Metrology: Theory, Algorithms and Applications”, Wiley-VCH, Weinheim (2014).