La mejor geometría para mezclar polvos

Los polvos, más técnicamente conocidos como sólidos granulados, plantean para los físicos problemas fundamentales sobre el comportamiento de la materia. En cierto sentido son sólidos, pueden fluir como líquidos y son demasiado granulados para la modelización corriente de dinámica de fluidos.Todavía queda mucho por descubrir en procesos aparentemente tan simples como mezclar polvos eficazmente. Julio Ottino y sus colega de la Northwestern University, en Evanston (Illinois, EE UU), han intentado averiguar qué pasa cuando dos polvos diferentes de tamaño de grano igual y uniforme se mezclan en un tambor girando, como arena y cemento en una mezcladora de obra. Ellos han descubierto cómo distinguir el comportamiento geométrico de polvos de los movimientos esencialmente aleatorios de los granos constituyentes y han publicado sus resultados en Nature (2 de marzo de 1994).

Los investigadores se plantearon una pregunta aparentemente sencilla: ¿hasta qué punto debe estar lleno un tambor con cantidades iguales de los polvos para adquirir una eficacia máxima de mezcla?

En reposo, la superficie del polvo en el tambor estará horizontal. Pero cuando el tambor gira lentamente, el polvo asumirá un ángulo constante, cuyo preciso valor depende de muchos factores, incluido el tamaño y la masa de las partículas de polvo y hasta qué punto se pegan unas a otras o a la superficie interna del recipiente.

La hormigonera modelo utilizada por Ottino era un disco del diámetro de una lata de sopa y cuatro centímetros de profundidad, parcialmente lleno de sal de mesa con algunos granos teñidos. Empieza a girar y el ángulo de la superficie del polvo en el recipiente se aproxima a 60 grados, el borde superior se colapsa y se desencadena la avalancha.

En una avalancha, una cuña de polvo se desliza desde el borde superior y forma una similar en el inferior. El comportamiento de los granos individuales de la cuña antes, durante y después de la avalancha no importa, porque a la larga el resultado es que una cuña de material es transportada desde la parte superior a la inferior.

Un trabajador de la construcción sabe que no se produce la mezcla si la hormigonera está llena hasta arriba porque no queda sitio para que se mueva el polvo y se produzcan las avalanchas. Pero Ottino ha descubierto que tampoco se mezcla bien si el tambor está lleno justo hasta la mitad, en cuyo caso la superficie del polvo sigue el eje de rotación y las cuñas mantienen su integridad.

Sólo cuando el llenado del tambor es intermedio se produce la mezcla homogéneamente, debido a la intersección de sucesivas cuñas que mueven su contenido de giro en giro. Según el experimento, basado en modelos teóricos del proceso geométrico, la mezcla es más eficaz en un cuarto de llenado.