Un arco iris se produce por la interacción de un haz de luz con una gota de líquido. En el laboratorio, es posible estudiar los arco iris formados por un rayo láser que ilumina una gota de líquido. Al filmar el arco iris, podemos estudiar y extraer información física sobre la gota a partir de esta señal. Es posible estimar el tamaño de la gota y su concentración cuando contiene nanopartículas.

¿Cómo se estudia una gota en el laboratorio?

Por tanto, es posible obtener una curva que siga la evaporación de una gota de fluido que contenga nanopartículas (en otras palabras, una suspensión coloidal). Para llevar a cabo este experimento, se puede utilizar un láser para iluminar la gota:

• una gota colocada sobre un soporte hidrófobo
• una gota que levita acústicamente

Este último método se utiliza para todos los resultados presentados en este artículo (véase la imagen inferior). La gota levita en un nodo de presión acústica estable en el tiempo y en el espacio (entre un transductor y un reflector). Como primera aproximación, suponemos que el levitador ultrasónico (F=100kHz) no influye en el secado de la gota atrapada. Con este método, es fácil iluminar la gota individual con un láser adecuado. Cabe mencionar aquí que el láser no calienta la gota ni influye en su evaporación.

El fenómeno del arco iris en una gota esférica homogénea

En el marco de la óptica geométrica clásicael fenómeno del arco iris está vinculado a la existencia de un ángulo límite de desviación para los rayos luminosos de orden p=2. Es decir, rayos luminosos que han sufrido una única reflexión interna en el interior de una gota esférica transparente.

La figura siguiente (izquierda) muestra que el ángulo de dispersión _θp=2 de estos rayos comienza por aumentar con el parámetro de impacto (distancia al eje óptico) de los rayos incidentes, antes de pasar por un máximo _θac denominado "ángulo del primer arco iris", para luego disminuir.

Para _θ2>θac no se dispersa ningún rayo del tipo p=2, esta zona del diagrama de dispersión corresponde al comienzo de la banda oscura de Alexander.

Para _θ2≤θac, dos tipos de rayos p=2 se superponen e interfieren en el infinito para producir el arco iris (llamado de "primer orden"). De hecho, existe un número infinito de arco iris: arco iris de primer orden producido por rayos p=2, arco iris de segundo orden producido por rayos p=3, arco iris de tercer orden producido por rayos p=4, etc. Sin embargo, debido a las múltiples reflexiones internas, el decaimiento de la energía de los rayos p=2 es muy rápido, como ilustra la figura anterior (izquierda). Por eso, en la naturaleza, aunque el primer arco iris (p=2) se observa con bastante frecuencia, es más difícil observar el segundo (p=3) y extremadamente difícil observar los arco iris de orden superior.

Existen varias teorías para calcular diagramas de dispersión a través de gotas de líquido. La figura siguiente muestra dos diagramas de dispersión utilizando el modelo deóptica geométrica y la teoría de Debye. No entraremos en detalles sobre estas teorías en este artículo.

Principio de la técnica de difractometría arco iris

La difractometría arco iris trata de reproducir el fenómeno del arco iris en el laboratorio para caracterizar el diámetro y el índice de refracción de las partículas (en este caso en el sentido de gota) que lo generan. Puede describirse como "técnica del arco iris", "termometría del arco iris" o "refractometría del arco iris". En cualquier caso, en la literatura, esta técnica óptica se utiliza de dos formas diferentes (véase la figura siguiente). En el primer caso, las estadísticas temporales se obtienen contando un gran número de eventos (es decir, gotas individuales). En el segundo caso, las estadísticas espaciales se obtienen a partir de todas las gotas presentes en un momento dado en el volumen de medición del sistema.

La óptica de detección consiste esencialmente en una óptica de captación y una cámara de tipo CCD (lineal o 2D). El sensor se sitúa en el plano de Fourier de la óptica (distancia f). Sin embargo, para definir mejor las dimensiones del volumen de medida y poder analizar flujos un poco más densos (pero aún bastante diluidos), a menudo es preferible añadir un filtro espacial a la óptica de detección. Como ya hemos mencionado, el primer arco iris aparece como la superposición de dos redes de franjas. Denominada estructura de ondulación, la segunda red se considera a menudo un parásito del arco iris porque dificulta la medición de la posición angular de las franjas de baja frecuencia. Otros la consideran una ventaja, ya que esta segunda frecuencia puede utilizarse para comprobar la esfericidad de la gota. No obstante, en general, el diámetro y el índice de la gota se deducen con mayor frecuencia de la medición de la posición angular de la primera y la segunda franjas. El índice también puede obtenerse directamente midiendo la posición angular del primer punto de inflexión.

Teniendo en cuenta la ondulación y el hecho de que las señales experimentales son siempre ruidosas, esta última solución parece muy difícil de aplicar. La técnica del arco iris de gota única también es muy sensible a los efectos de trayectoria y a la no esfericidad de las gotas, así como a la presencia de gradientes de índice en su interior.

Difractometría de arco iris: gotas esféricas e inhomogéneas

Dado que el índice de refracción de una gota heterogénea está directamente relacionado con su concentración de nanopartículas, la difractometría arco iris puede utilizarse para estimar una concentración en cada instante de una gota. Esta concentración de nanopartículas cambia rápidamente a medida que el disolvente se evapora de la superficie de la gota. Cuando se evacua todo el disolvente, las nanopartículas se aglomeran y forman granos más o menos compactos (costras, véase la figura siguiente).

En el caso de partículas esféricas heterogéneas, un enfoque original se basa en leyes de homogeneización que permiten tener en cuenta una estratificación de la concentración de nanopartículas dentro de las gotas o granos estudiados. Estas leyes se implementan en modelos teóricos de arco iris para estimar los parámetros físicos. Esta estratificación se calcula a partir de las predicciones del perfil radial de la concentración molecular de nanopartículas previsto por un modelo de secado.

Conclusión

En este artículo vimos que el fenómeno óptico del arco iris puede utilizarse para estudiar la evaporación de una gota de suspensión coloidal en levitación acústica. Una prueba más de que la luz contiene una gran cantidad de información para aquellos que saben dónde buscar.

Con los datos experimentales complementados por modelos teóricos originales, es posible trazar el tamaño de la gota y su concentración de nanopartículas durante el secado. Estos resultados son de gran utilidad en un amplio abanico de industrias: biotecnología, química, agroalimentaria, etc.

Espero que haya disfrutado con este artículo y que no le haya resultado demasiado difícil de leer. El contenido de este artículo procede de mi tesis doctoral. Si desea saber más, póngase en contacto conmigo o descargue el manuscrito. También puede hacer sus preguntas en los comentarios, y estaré encantado de responderlas.

Por último, esta técnica sigue siendo una "técnica de laboratorio", pero es concebible que pueda utilizarse en la industria de forma automatizada. Quizás Imasolia contribuya a esta innovación tecnológica en el futuro.