Un equipo internacional de científicos, incluyendo investigadores chilenos, ha desentrañado el misterio de por qué materiales como la arena y las cenizas volcánicas generan electricidad al entrar en contacto. El estudio, publicado en la revista Nature, revela que la clave reside en la química de la superficie de las partículas, específicamente en la presencia de moléculas de carbono que se adhieren de manera desigual a cada grano.
El papel del carbono en la electrificación de partículas
Tradicionalmente, se pensaba que la transferencia de carga entre partículas idénticas era un proceso aleatorio. Sin embargo, la investigación liderada por el profesor Nicolás Mujica del Departamento de Física de la Universidad de Chile, junto a los profesores Francisco Gracia y Adriana Blanco del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, demuestra que la asimetría en la carga eléctrica se debe a la contaminación superficial por moléculas de carbono. Estas moléculas se adsorben de manera diferente en cada partícula, dependiendo de su entorno y de los contactos previos que haya tenido.
En experimentos controlados con partículas de dióxido de silicio, principal componente de la arena, se observó que, aunque todas eran iguales, algunas 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.
Implicaciones en fenómenos naturales e industriales
La electrificación de partículas tiene implicaciones significativas en diversos fenómenos naturales e industriales. Por ejemplo, durante erupciones volcánicas, las colisiones entre partículas de ceniza generan cargas eléctricas que pueden dar lugar a tormentas eléctricas en la columna eruptiva. Este fenómeno ha sido observado en erupciones como la del volcán Sakurajima en Japón, donde se midieron cargas eléctricas en las partículas de ceniza que oscilaban entre +3 y +6 x 10-4 C/kg y entre -2 y -5 x 10-4 C/kg.
En la industria, la electrificación de partículas puede provocar aglomeraciones, fallas de eficiencia e incluso explosiones. Por ejemplo, en la producción de café molido, las partículas pueden adherirse entre sí debido a cargas eléctricas, afectando la calidad del producto final.
Control experimental de la carga eléctrica
Uno de los hallazgos más relevantes del estudio es que es posible controlar experimentalmente la carga eléctrica de las partículas. Al limpiar las superficies, eliminando las moléculas de carbono mediante calor o plasma, el comportamiento eléctrico deja de ser errático. Después de la limpieza, una partícula siempre se carga negativamente. Y si se limpia la superficie contra la que choca la misma partícula, pasa a cargarse positivamente. Es decir, se puede 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 permite seguir el fenómeno en el tiempo y entenderlo en detalle.
Aplicaciones en la formación planetaria
Las implicaciones 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. La investigación aporta claves para entender procesos de gran escala, como la electrificación de partículas en etapas tempranas de la formación planetaria. Aunque parezcan iguales, partículas como los granos de arena pueden intercambiar carga eléctrica de distinta manera según el estado químico de su superficie.
Proyecciones futuras en la investigación de la electrificación de partículas
Este estudio abre nuevas líneas de investigación en la comprensión de la electrificación de partículas y sus efectos en diversos ámbitos. Comprender y controlar este fenómeno podría mejorar procesos industriales, prevenir accidentes y profundizar en el conocimiento de fenómenos naturales como las tormentas eléctricas volcánicas y la formación de planetas. La participación de científicos chilenos en este estudio destaca el aporte del país en la investigación científica de vanguardia.
