Ha hecho falta un vídeo de YouTube, un congelador que se mantiene a 20 grados centígrados negativos y unos estudiantes de ingeniería muy tolerantes al frío para que los investigadores descubran por fin por qué las pompas de jabón congeladas se parecen al brillo de una bola de nieve. El truco en sí es un experimento científico muy popular en invierno, cuando las temperaturas descienden por debajo de los cero grados: salir a la calle, soplar una pompa de jabón, dejarla caer suavemente sobre la nieve o el hielo y ver cómo los cristales bailan sobre la película hasta que todo se convierte en una delicada bola de hielo. Es visualmente impresionante, pero hasta hace muy poco, la gente no sabía exactamente por qué las burbujas se congelan de esta manera tan particular y fascinante.
Normalmente, cuando una gota de agua o un charco se congela, comienza a solidificarse en hielo en el punto más frío, donde entra en contacto con otra nieve o hielo. El hielo fresco congela el agua vecina, creando una bonita progresión ordenada a través del charco llamada frente de congelación. Pero cuando se congela una burbuja en una habitación gélida, todo ese orden se va rápidamente por la ventana.
Empieza a crecer normalmente, congelándose desde la parte inferior, donde toca el hielo, hacia la parte superior, pero entonces, de repente, aparecen cientos de frentes de congelación en la superficie de la burbuja. «Se parece a los cristales arremolinados que se ven en una bola de nieve de juguete. Por eso lo llamamos efecto globo de nieve», dice Jonathan Boreyko, coautor de un nuevo artículo sobre el efecto globo de nieve, que se acaba de publicar en la revista Nature Communications.
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Boreyko, ingeniero mecánico, dirige un laboratorio en Virginia Tech que se centra en cómo se comportan los fluidos, incluyendo cómo se congelan los charcos y las gotas. Cuando algunos de sus estudiantes de posgrado quisieron saber si podían investigar por qué las burbujas de los populares vídeos de YouTube se congelaban en esos patrones tan definidos, se entusiasmó. «Creo que es la primera vez en mi vida que puedo decir que mi trabajo se inspiró en YouTube», dice Boreyko. Durante años, el estudiante de posgrado Farzad Ahmadi y el estudiante Christian Kingett se abrigaban periódicamente con chaquetas y tomaban prestado el congelador de un laboratorio vecino -enfriado a 20 grados Celsius negativos (cuatro grados Fahrenheit negativos)- para depositar cuidadosamente burbujas de jabón en el hielo utilizando pipetas.
Como resultado de todo ese trabajo en frío, descubrieron que el efecto de la bola de nieve era impulsado por algo llamado flujo Marangoni. «Eso es una forma elegante de decir, básicamente, que los fluidos fluyen de caliente a frío en una interfaz», dice Boreyko. A medida que las burbujas se congelaban en el congelador, la parte todavía líquida de la burbuja seguía moviéndose, arrancando cristales de hielo del creciente frente de congelación y lanzándolos de un lado a otro. Esos cristales de hielo crearon cada uno su propio frente de congelación, haciendo que la superficie de la burbuja se solidificara más rápidamente.
Pero en un congelador donde todo está a la misma temperatura, ¿cómo se calentaban partes de la burbuja lo suficiente como para crear el flujo? «Resulta que la respuesta está en la propia congelación», dice Boreyko. «Es muy contradictorio para la gente que no está en el campo, pero cuando se congela el agua en realidad se calienta». Esa pequeña cantidad de calor (normalmente unos pocos grados) es suficiente para que el jabón empiece a subir hacia la parte superior de la burbuja, donde el congelador todavía la mantiene fría.
Después de que los estudiantes de posgrado se descongelaran un poco, probaron el mismo experimento a temperatura ambiente, de nuevo soplando burbujas sobre un bloque de hielo. Los resultados fueron muy diferentes, como se puede ver en este vídeo:
En lugar de congelarse por completo, a mitad de camino de la burbuja el frente de congelación simplemente… se detiene. El aire más caliente de la habitación mantiene la burbuja en un extraño purgatorio hasta que el aire comienza a filtrarse lentamente por pequeños agujeros en la mitad congelada de la burbuja. Los agujeros son tan pequeños, que Boreyko dice que se necesitaron varios minutos para que algunas de las burbujas medio congeladas se colapsaran completamente.
Ambos experimentos tienen resultados de aspecto salvaje, y si vives en un clima frío, podrías tener la oportunidad de probar los experimentos por ti mismo este invierno. Todo lo que necesitas es un poco de solución jabonosa, una superficie fría (como la nieve) y un día en el que el aire esté por debajo del punto de congelación.
«Es bastante fácil de hacer para la gente y eso es parte de la razón por la que quería hacer esto», dice Boreyko. «Cualquiera puede ver los efectos por sí mismo, y esto puede informar del por qué de la belleza que están viendo, si están interesados en aprender más sobre ello.»