Desde los relámpagos en erupciones volcánicas hasta fallas en procesos industriales e incluso la calidad de una taza de café, múltiples fenómenos aparentemente inconexos comparten un mismo origen: la transferencia de carga eléctrica entre materiales granulares. Así lo revela un nuevo estudio publicado en la revista Nature, con participación de especialistas de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile.
Cuando un volcán entra en erupción, las partículas de ceniza colisionan en la atmósfera generando impresionantes tormentas eléctricas. En la industria, el simple movimiento de polvo puede provocar aglomeraciones, pérdidas de eficiencia e incluso explosiones. En la vida cotidiana, algo tan habitual como el café molido puede ver afectada su calidad cuando sus partículas se adhieren entre sí antes de entrar en contacto con el agua.
En todos estos casos, el fenómeno subyacente es el mismo: la electrificación por contacto entre materiales granulares, uno de los sistemas más abundantes en la Tierra después del agua.
Una paradoja de siglos
Aunque los granos de arena, cenizas volcánicas o polvos industriales —e incluso los cuerpos que dan origen a planetas— están formados por materiales eléctricamente aislantes, al entrar en contacto, rozarse o separarse, intercambian carga eléctrica.
Este fenómeno es conocido desde hace siglos, pero encierra una pregunta clave: ¿por qué dos partículas idénticas, del mismo material y tamaño, pueden cargarse de manera distinta, incluso con signos opuestos?
Un estudio internacional liderado por investigadores de la Universidad de Chile, entre ellos el Dr. Nicolás Mujica (Departamento de Física), junto al profesor Francisco Gracia y la Dra. Adriana Blanco, entrega una nueva explicación. La clave no está en el volumen del material, sino en su superficie, específicamente en la presencia de moléculas de carbono que se adhieren de forma desigual a cada partícula.
“Durante mucho tiempo se pensó que la transferencia de carga entre granos idénticos era un proceso esencialmente aleatorio. Lo que mostramos es que existe un parámetro concreto que rompe esa simetría: el estado químico de la superficie”, explica Mujica.
El rol invisible del carbono
En experimentos controlados con partículas de dióxido de silicio —principal componente de la arena— los investigadores observaron que, pese a ser iguales, algunas partículas se cargaban positivamente, otras negativamente y otras casi no adquirían carga.
La diferencia está en su “historia superficial”. Cada grano presenta distintos niveles de contaminación por carbono, conocido como carbono adventicio: una capa de compuestos que se forma naturalmente cuando los materiales están expuestos al aire.
“Esa diferencia microscópica es suficiente para determinar cuánta carga se transfiere y en qué dirección”, detalla Mujica.
Un fenómeno que se puede controlar
El equipo también demostró que este comportamiento puede manipularse experimentalmente. Al limpiar las superficies —mediante calor o plasma— la electrificación deja de ser errática.
“Después de la limpieza, una partícula siempre se carga negativamente. Y si limpiamos la superficie contra la que choca, pasa a cargarse positivamente. Es decir, podemos invertir la polaridad de la carga”, explica el investigador.
Sin embargo, este control no es permanente. Con el tiempo, las partículas vuelven a contaminarse al interactuar con el ambiente, en un proceso que puede tardar desde horas hasta meses.
De volcanes a planetas… y al café
Las implicancias del estudio son amplias. En la naturaleza, permite comprender mejor fenómenos como la electrificación en erupciones volcánicas, la formación planetaria o incluso la dispersión de microorganismos en la atmósfera. También aporta nuevas claves sobre procesos biológicos como la polinización, donde insectos y flores interactúan mediante campos eléctricos.
En el ámbito industrial, abre oportunidades para reducir riesgos asociados a descargas eléctricas y optimizar procesos que involucran polvos finos.
Y en lo cotidiano, ayuda a explicar por qué variables como la humedad y la carga eléctrica influyen directamente en la calidad del café molido.
“Entender cómo y por qué se transfieren cargas entre granos es fundamental en una enorme variedad de sistemas. Lo notable es que un fenómeno que parecía aleatorio está gobernado por procesos bien definidos a nivel molecular”, concluye Mujica.
La participación del Dr. Nicolás Mujica en este estudio refuerza el aporte del Departamento de Física de la FCFM de la Universidad de Chile en investigación de frontera, conectando la física fundamental con desafíos concretos que van desde la seguridad industrial hasta algunos de los fenómenos más extremos de la naturaleza.
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