Ingeniería inspirada en el chocolate

Pedro Reis es un investigador y profesor de ingeniería en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en ingles). Entre otras cosas, su trabajo consiste en explicar las propiedades mecánicas de las estructuras esféricas, como pueden ser cúpulas, cascaras de huevo o el morro de un avión. Para ello necesitaba desarrollar un método rápido y económico para producir prototipos en el laboratorio con los que hacer experimentos. Tras realizar algunas pruebas vertiendo un material parecido al caucho sobre moldes esféricos, se dio cuenta que no había manera de predecir el grosor de la esfera con antelación, tan sólo confiar en el método de ensayo y error.

Mientras daba vueltas a este problema, recibió una visita algo atípica en el MIT. Se trataba de tres cocineros del restaurante vasco Mugaritz que andaban buscando nuevas técnicas para aplicar a sus recetas. Los cocineros consiguieron su objetivo, pero también dejaron alguna idea a su paso. “Me mostraron una receta de huevos rotos en la que recreaban una cáscara de huevo utilizando un molde y manitol, un azúcar con una textura parecida al polímero de silicona que usábamos nosotros: el problema era idéntico al nuestro”, explica Reis. Gracias a esto comprendió que se trataba de un problema bastante común, por lo que él y su equipo decidieron buscar casos similares. Fue un colaborador, François Gallaire de la Escuela Politécnica Federal de Lausana en Suiza, quien encontró la clave en la elaboración de bombones.

Para poder fabricar algo tan cotidiano como un huevo de chocolate o un bombón relleno de licor, es necesario poder hacer una cubierta rígida y hueca. Para ello, los chocolateros vierten su materia prima fundida sobre un molde esférico, dejando escurrir el líquido sobrante. Gracias a esta técnica, perfeccionada durante siglos a base de ensayo y error, estos artesanos son capaces de producir cápsulas de chocolate del grosor deseado, simplemente siguiendo la receta. Si ellos pueden hacerlo, un grupo de ingenieros del MIT debería ser capaz de determinar las variables físicas que rigen el proceso.

Viendo videos de chocolateros haciendo bombones, el equipo se preguntó si habría alguna forma de predecir el resultado a partir de la viscosidad del fluido y el tamaño del molde. Con este fin, realizaron una serie de experimentos vertiendo varios tipos de polímeros líquidos – una especie de silicona que se endurece rápidamente- de viscosidad conocida sobre una serie de moldes esféricos de distintos tamaños. Una vez solidificados, midieron el grosor de las cápsulas obtenidas.

Me mostraron una receta de huevos rotos en la que recreaban una cáscara de huevo utilizando un molde y manitol, un azúcar con una textura parecida al polímero de silicona que usábamos nosotros: el problema era idéntico al nuestro

A partir de estos datos, desarrollaron una ecuación que permite predecir con exactitud el grosor de la cápsula resultante sin tener que recurrir al método de ensayo y error. La fórmula matemática se basa en las dimensiones del molde y la velocidad a la que el líquido se desplaza sobre él. Cuando más grande es el molde, más tiempo tarda el fluido en cubrirlo y el resultado es una cubierta más gruesa. Lo mismo sucede si aumenta la viscosidad del polímero. Para la sorpresa inicial de los investigadores, ni la altura desde la que se vierte el líquido ni el volumen total empleado influyen en el grosor final de la burbuja.

Como resultado Reis y su equipo han desarrollado una fórmula matemática y un método de fabricación que les permite diseñar y producir esferas elásticas de tamaño y grosor deseado. “En este caso tenemos lo que yo llamo el ‘triángulo dorado’, es decir, somos capaces de describir el proceso numéricamente, lo hemos modelado en el ordenador y por último somos capaces de ir al laboratorio y crear prototipos que cumplen nuestras predicciones” cuenta Reis. Estos resultados han sido publicados recientemente en la revista Nature Communications.

Este trabajo abre la puerta a numerosas aplicaciones prácticas. Ya no será necesario probar con cientos de moldes y viscosidades diferentes para obtener el resultado deseado. De momento el equipo de Reis se limita a emplearlo para probar las propiedades mecánicas de estructuras esféricas en su laboratorio, pero anticipa que podría aplicarse en la industria farmacéutica o la fabricación de vesículas artificiales y embalajes más eficientes. Según Reis “teóricamente podría emplearse para crear cúpulas de cemento, aunque aún no hemos realizado ningún trabajo en ese sentido”.

“Podemos decir que esta es una técnica de fabricación rápida. Hoy en día ese término suele asociarse a la impresión en 3D u otros métodos que requieren equipos muy caros, pero también puede ser algo tan simple como verter chocolate en un molde”, concluye Reis.