De Burbujas de Cerveza a Nanopartículas: ¿Qué es la Nucleación?

Científico Nano

Originalmente publicado en inglés por Stephanie Mitchell
Publicado el 27 de septiembre del 2018
Traducio por Mariah Dooley, Editado por Curtis Green

Sí amigos, lo hemos hecho. ¡Probablemente no pensó que podríamos, pero encontramos otra manera de hablar sobre la cerveza y las nanopartículas!

¿Alguna vez se ha preguntado por qué se forman burbujas y se elevan desde el fondo de un vaso de cerveza? Hay una cantidad asombrosa de investigación sobre el burbujeo o «fizz» de la cerveza. Durante la producción de cerveza, el dióxido de carbono (CO2) se produce naturalmente junto con el alcohol etílico (el tipo de alcohol que bebemos) ya que la levadura consume azúcar y se añade CO2 adicional durante el envasado para mantener la cerveza fresca. Pero, ¿cuál es el proceso que permite que las burbujas se formen en el fondo del vaso?

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¡Mira esta genial cerveza con burbujas! (GIF por Parz56)

Este proceso se llama nucleación. Para la cerveza, la nucleación es el proceso en el que un pequeño defecto en el vidrio actúa como punto de partida para la formación de una burbuja de CO2. De hecho, muchas copas de cerveza y copas de champán están nucleadas, lo que significa que están grabadas a propósito, de modo que el CO2 disuelto en la cerveza tenga un lugar para reunirse y formar burbujas más grandes.1 Una vez que la burbuja se hace demasiado grande y flotante como para permanecer en la parte inferior del vidrio, se desprende del cristal, se eleva a través de la cerveza y continúa creciendo y acumulando CO2en el camino. Tener una cerveza burbujeante con el tope de espuma es importante al beber la cerveza, ya que te ayuda a apreciar el aroma, que es un componente principal del sabor y te ayuda a distinguir los sabores de la cerveza. Por lo tanto, la nucleación es importante para la experiencia general de la cerveza. Si estás interesado en obtener más información, consulta este breve informe sobre cómo el químico Richard Zare comenzó a pensar en las burbujas de cerveza.

Antes de considerar cómo se relaciona la nucleación con las nanopartículas, consideremos un ejemplo diferente de nucleación para aquellos que aún no tienen 21 años. Es posible que recuerdes una serie de videos donde se aprecia  a personas que ponen una botella de agua en el congelador, golpean la botella y rápidamente ven cómo se forma de hielo.

La formación de hielo también comienza con el proceso de nucleación. En este dramático ejemplo, el agua se ha enfriado por debajo de su punto de congelación (0 ° C) pero no comenzará el proceso de congelación hasta que encuentre un sitio de nucleación. Esto puede ser causado por una imperfección del contenedor, la adición de un objeto (como una varilla o sal) o una interrupción física, como una onda de choque al golpear el contenedor. Con una onda de choque, las moléculas de agua se mueven tan abruptamente que terminan separándose unas de otras, creando una cavidad o burbuja en el agua. Esa burbuja es suficiente alteración para estimular la formación de cristales de hielo, que luego se forman en cascada en todo el contenedor.2

Aquí hay un video de mí golpeando un tubo de plástico de agua súper enfriada (-20 ° C o -4 ° F):

Si seleccionamos un fotograma o imagen para mirar justo después de la onda de choque, se puede ver un par de áreas donde comenzó el proceso de nucleación:

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El fotograma de un video de formación de hielo muestra varios sitios de nucleación. (Imagen de Stephanie Mitchell)

Entonces, ¿cómo se relaciona todo esto de la nucleación con las nanopartículas? Bueno, para responder a esto, primero debemos pensar cómo se sintetizan las nanopartículas. Hay dos métodos de síntesis de nanopartículas: de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba. El método de arriba hacia abajo implica una gran estructura que se divide en unidades de tamaño nanométrico, mientras que el método de abajo hacia arriba implica reacciones químicas que conducen a la agregación, o aglutinación, de átomos en partículas.

Al igual que la forma en que se forman las burbujas de CO2en la cerveza debido a la nucleación, el método ascendente para sintetizar nanopartículas también comienza con la nucleación. Al sintetizar nanopartículas metálicas, generalmente hay tres ingredientes: una sal metálica, un agente reductor y un agente estabilizante. El primer paso de la síntesis de nanopartículas es reducir la sal metálica en un solo átomo de metal puro. Por ejemplo, con las nanopartículas de oro, la sal de oro (en la que el oro está cargado positivamente) se reduce (ganan electrones para ser más negativo) por el agente reductor para convertirse en oro puro (con carga neutra). Estos átomos de oro se convierten en sitios de nucleación, lo que significa que cada átomo actuará como un punto de partida para el crecimiento de cristales para el resto de la nanopartícula, al igual que la congregación de CO2 de la cerveza.

En el segundo paso de la síntesis de nanopartículas, el agente estabilizante sirve como una forma de detener el crecimiento de las nanopartículas. De lo contrario, las nanopartículas seguirán creciendo en función de la disponibilidad de los átomos de metal en la solución, al igual que la forma en que el hielo se forma hasta que no haya más agua disponible. Ese crecimiento sin control daría lugar a partículas que ya no eran nano, solo oro normal de tamaño más grande. En cambio, la formación de nanopartículas ocurre en numerosas ubicaciones en diferentes sitios de nucleación (átomos de oro), por lo que terminamos con muchas nanopartículas de oro en solución.

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Dibujo de síntesis de nanopartículas «de abajo hacia arriba» usando nucleación. (Imagen de Stephanie Mitchell)

El control de la nucleación y el crecimiento de nanopartículas son muy importantes para los químicos, de modo que podemos tratar de controlar el tamaño y las formas de las nanopartículas que sintetizamos. Las nanopartículas se utilizan en una variedad de tecnologías, y a menudo es muy importante que todas sean consistentes en tamaño y forma para garantizar que sean efectivas. Por ejemplo, los cambios en la forma de las nanopartículas pueden cambiar su capacidad para ser absorbidos por el cuerpo en aplicaciones médicas.3 Aunque este proceso de nucleación y crecimiento es tan fundamental, los científicos todavía no tienen una sola teoría o modelo que prediga o describa completamente cómo las nanopartículas llegan a producir un tamaño y forma particular.4 Si está interesado en investigar diferentes tipos de nucleación y teorías sobre el crecimiento de nanopartículas, debería consultar la investigación de 2014 de Thanh et al.5

El video de arriba muestra a mi compañera de laboratorio Emily sintetizando algunas nanopartículas de oro. Aquí ella tiene una solución de sal de oro (HAuCl4) a la que agrega citrato, que actúa como agente reductor y limitador. Ella puede controlar el tamaño de las nanopartículas cambiando la proporción de oro por citrato. Si le interesa saber por qué las nanopartículas de oro son rojas, ¡consulte esta publicación (en español)!

La formación de nanopartículas es uno de los ejemplos de nucleación de menor escala, pero el proceso de nucleación también se usa en una variedad de otros campos, desde la siembra de nubes hasta el cultivo de perlas. ¡Al parecer, la nucleación es también una de las razones importantes por las que el experimento de Mentas y Soda de dieta causa una “erupción de burbujas”! Disfruta de todas tus formas favoritas de nucleación, a continuación.

¡Salud!

(imagen de Shake Shack)

RECURSOS EDUCATIVOS (en inglés)

REFERENCIAS

  1. Shafer, N. E., Zare, R. N. (1991). Through a Beer Glass Darkly. Physics Today, 44(10), 48. doi: 1063/1.881294
  2. Gitlin, S. N., Lin, S.-S. (1969). Dynamic Nucleation of the Ice Phase in Supercooled Water. Journal of Applied Physics, 40(12), 4761- doi: 1063/1.1657285
  3. Banerjee, A., Qi, J., Gogoi, R., Wong, J., Mitragotri, S. (2016). Role of Nanoparticle Size, Shape and Surface Chemistry in Oral Drug Delivery. Journal of Controlled Release, 238, 176- doi: 1016/j.jconrel.2016.07.051.
  4. Polte, J. (2015). Fundamental Growth Principles of Colloidal Metal Nanoparticles – A New Perspective. CrystEngComm, 17, 6809- doi: 1039/C5CE01014D
  5. Thanh, N. T. K., Maclean, N., Mahiddine, S. (2014). Mechanisms of Nucleation and Growth of Nanoparticles in Solution. Chemical Reviews, 114, 7610-7630. doi: 1021/cr400544s