Levitación magnética y leche desnatada

Imagen cortesía | Mirica, K. et al.

A la mayoría de la gente la levitación magnética le suena a tren de alta velocidad. Es lo que, efectivamente, permite al Shanghai Transrapid deslizarse sin fricción sobre los raíles hasta alcanzar los 430 km/h. Pero la misma tecnología tiene un uso mucho más de andar por casa: comprobar la calidad de la comida y del agua.

Una forma de identificar la calidad de una sustancia sin recurrir a métodos químicos complejos es determinar su densidad. Ésta no nos dará una composición precisa pero, a menudo, nos proporcionará una aproximación decente, como ya descubriera Arquímedes. Así, por ejemplo, la pureza de los minerales se evalúa en muchos casos de esta manera, como también el contenido en grasa de la leche o de sal en el agua (cuanta más grasa hay en la leche, menos densa; cuanta más sal en el agua, más densa).

El problema es que los aparatos para medir la densidad o son precisos o son portátiles. Los dispositivos que son ambas cosas, como los tubos en U oscilantes, son muy caros (varios miles de euros). Ahora, George Whitesides y sus colegas de la Universidad de Harvard han encontrado la cuadratura del círculo usando los principios de la levitación magnética.

Hay muchos materiales, incluyendo la leche y el agua, que son diamagnéticos, esto es, tienden a ser repelidos por un campo magnético. Su interacción es muy débil como para que pueda ser observada en circunstancias normales, sin embargo, si se les suspende en una disolución apropiada de iones paramagnéticos, que se vuelve magnética en presencia de un imán permanente, se desplazan hacia donde el campo sea más débil, y se quedan allí.

Whitesides y sus colegas pensaron que este fenómeno podría usarse para medir la densidad y, tal y como aparece publicado en el Journal of Agricultural and Food Chemistry, se dispusieron a construirlo de la forma más sencilla posible. Cogieron dos imanes de neodimio (realmente Nd2Fe14B), fáciles de adquirir (y, si no, de obtener de un disco duro que ya no te sirva), que pusieron uno encima de otro con los polos iguales enfrentados y separados por un vial de fluido paramagnético en posición vertical. Con esta configuración el punto más débil del campo magnético es el centro del vial.

Imaginemos que lo construímos nosotros y queremos calibrar nuestro dispositivo. Vamos introduciendo sucesivamente en el vial gotas de exactamente el mismo tamaño de, por ejemplo, agua salada, cada una de esas gotas con una densidad conocida (la preparación es sencilla y la densidad fácil de calcular a partir de la concentración). Cada vez que introducimos una gota la fuerza magnética la empujará hacia el centro del vial donde el campo es más débil, pero la gravedad tirará de ella hacia abajo hasta que se alcance un punto de equilibrio. La altura sobre el imán inferior será proporcional a la densidad, y la podemos medir usando una regla graduada.

Representando los puntos así obtenidos en una gráfica con la densidad en ordenadas y la altura en abcisas, obtenemos la curva de calibración de nuestro equipo. Si introducimos una muestra de concentración y densidad desconocidas, si ésta está dentro del rango calibrado, podemos usar nuestra curva para determinar la densidad con sólo medir la altura en el equilibrio.

En total, comprando todo lo necesario, incluida una caja de aluminio para su transporte, el coste del dispositivo no debería superar los 40 €. Este es un precio muy bajo para un aparato que permite saber, por ejemplo, si un agua es demasiado salina para regar. Esto a lo mejor no te parece importante, pero para un pueblo de un país en desarrollo puede ser la diferencia entre comer ese año de lo que produzca o depender de la ayuda exterior que, en algunos casos, puede representar malnutrición de los niños o hambruna generalizada.

Además, se pueden encontrar algunas aplicaciones biomédicas sencillas. Por eso, si construyes uno, en vez de guardarlo en el trastero, piensa en cómo puedes hacerlo llegar a tu ONG favorita.

———————————–

Referencia: Mirica, K. et al. Magnetic Levitation in the Analysis of Foods and Water J. Agric. Food Chem., 2010, 58 (11), pp 6565–6569 DOI: 10.1021/jf100377n | Imagen cortesía de Mirica, K. et al.

Este artículo se encuadra dentro de la novena edición del Carnaval de la Física, una iniciativa de Gravedad Cero para la divulgación de la física. En Experientia Docet puedes encontrar toda la información al respecto y cómo participar si te animas.