Oh genial, una muy buena pregunta. Realmente me gustan las preguntas que cuestionan cosas que damos por sentado como elementos cotidianos, y sin embargo tienen misterios a la vista. Comencemos con las palabras. Una emulsión es el término correcto aquí, de la palabra latina para leche, nada menos. Resulta que consisten en partículas en el rango nanométrico de hasta micrómetro, con partículas de leche de 0.2 a 4 micras, promedio 0.4 micras. Los dos materiales principales involucrados son grasa de mantequilla (quizás 4%) y proteínas de caseína en estructuras llamadas micelas.
Esta es una muestra congelada de crema para darle una idea. Las flechas son proteínas, FC significa cristales de grasa y C son micelas de caseína. La escala es de 1.5 micras.
Están relacionados con otro material de origen biológico llamado coloide, que básicamente significa material pegajoso. ¿Cómo sabemos el tamaño de partícula? Bueno, tenemos membranas semipermeables que solo dejan pasar ciertas cosas, como agua o moléculas más pequeñas. El color blanco se debe a que dispersa la luz visible por lo que no es transparente.
Hay varios problemas científicos aquí. El primer problema es que no queremos que las partículas se fusionen. Entonces las pequeñas esferas deben ser repulsivas, en términos simples. Lo logran al tener una estructura estratificada que les permite transportar una bicapa de superficie cargada eléctricamente. Esto es similar a la forma en que funcionan los detergentes. Un extremo no polar de una molécula de detergente apunta al núcleo, y un extremo cargado apunta al agua. Una capa dinámica de moléculas de agua es atraída y rodea cada partícula como un escudo. Como todas las partículas tienen la misma carga externa, se repelen entre sí. En el caso de la leche, de hecho se desarrolla una trilapa.
También hay un problema de energía superficial. Utilizo el término energía superficial en lugar de tensión superficial, pero el concepto es el mismo. De hecho, deberíamos hablar de “energía libre de superficie” en el lenguaje termodinámico. Si queremos unir gotitas diminutas en una fase líquida continua, no solo debemos superar las repulsiones para obtener los atractivos beneficios de un líquido, sino que tenemos que alejar el agua pegajosa que se adhiere mejor a la gota de la que puede a sí mismo, y tenemos que dar cuenta de la energía cinética transportada por las gotas que no tiene a dónde ir, en otras palabras, la entropía también. Hay una gran barrera de energía libre de superficie.
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Ok, ¿qué sigue? Las relaciones dependen de la escala. Si doblas los lados de una caja, obtienes cuatro veces el área, pero obtienes ocho veces el volumen. Los factores de volumen escalan mucho más rápido que los factores de área. Un elefante se enfrenta a un conjunto de problemas completamente diferente a un ratón, basado enteramente en los efectos relativos de la escala. Por ejemplo, los elefantes tienen un problema para deshacerse del calor, mientras que los ratones tienen problemas para retenerlo. Eso es porque la generación de calor se escala con el volumen, mientras que la transferencia de calor se escala con el área. Pura física. Bajando, digamos que reducimos a la mitad la longitud de nuestra caja, luego conseguimos una cuarta parte del área, pero el peso se ha reducido a una octava parte. Entonces, sus pequeños glóbulos tienen una relación superficie / peso mucho mayor que cualquier otra en la escala a la que están acostumbrados. Y no solo eso, sino que a medida que se reduce a la mitad la distancia entre dos cargas eléctricas, la fuerza no aumenta ni se duplica, sino que es cuatro veces más fuerte. A partir de esto, puede ver de inmediato que el entorno no es para nada lo que está acostumbrado. Si “Honey I shrunk the kids” era verdad, la gravedad parecería trivial, y podrías saltar muchas veces a tu propia altura, pero estarías prisionero de la electricidad estática, y te encontrarás aferrándote a cosas por todos lados . Si tomas la misma carga que otra persona, estarías luchando totalmente contra la repulsión de incluso tomarse de las manos. A medida que te haces más pequeño, empeora. Una de las fuerzas que importa para nuestras partículas es la viscosidad de la fase líquida. En la película “Cariño, encogí a los niños”, el aire parecía que se movía más en el agua y el agua parecía más melaza. O una cruz entre melaza y masilla tonta.
El movimiento de las partículas bajo la gravedad no es el modelo correcto, porque no podemos descuidar la flotabilidad del medio. Pero espere un minuto, ¡la grasa es más liviana que el agua! Las partículas no deberían hundirse, deberían estar flotando en todo caso. De hecho, esto es lo que sucede con la leche entera, pero después de un tiempo desarrolla una capa de crema en la superficie. Pero cualquier respuesta a esta flotabilidad encontrará resistencia del fluido mismo. Es como si hubieras saltado a una olla de pegamento. usando tu equipo de buceo. Incluso tu amigo gordito está atrapado como tú. Y él te está repeliendo así que incluso si puedes moverte, es un poco como abrirte camino a través de una multitud de fútbol. Y si la multitud se mueve, entonces es a donde irás también.
No solo eso, sino que la multitud también está mirando el juego y saltando. Te golpearán como un pinball. Y entre la multitud está este fluido pegajoso que también te empuja al azar en todas direcciones. Einstein estaba interesado en este fenómeno llamado movimiento browniano, aquí hay un video de 88 partículas de nano metros:
Aquí hay una descripción completa:
¿Puedes ver la pequeña partícula haciendo su caminata aleatoria?
Todo esto es sin matemática, pero para redondear esta explicación podemos calcular las fuerzas relativas en una partícula dada. Es posible que descubras que la gravedad general o la flotabilidad ganan, pero el factor crucial es el tiempo. Las emulsiones tienen una vida útil, pero habrás bebido tu leche mucho antes.
