martes, 2 de mayo de 2006

Burbujas, espumas, bizcochos, aire, aire, aire............

Gentes tan serias como Leonardo da Vinci, Newton o Lord Kelvin se divirtieron en su día como niños jugando con pompas de jabón, aunque con intenciones algo más adultas. Lo que mucha gente sigue considerando un simple divertimento contiene mucha ciencia básica y aplicada en su interior.

Pensemos, por ejemplo, en batir la parte transparente de un huevo de forma insistente hasta generar unas claras “a punto de nieve” (¿no es ilustrativa la definición?). Con ella podemos adornar unas sencillas pero deliciosas natillas, pero, ¿qué era la clara de huevo de la que hemos partido?. Un líquido, como lo demuestra su clara vocación de “adaptarse al recipiente que lo contiene”. ¿Qué hemos introducido en esa clara de huevo para generar la espuma?. Aire, puro aire, gracias a un batido vigoroso, paciente y continuo con un tenedor o alguna herramienta más sofisticada. Y si recapitulamos, un líquido no tiene más forma que la del recipiente que lo contiene y un gas, como el aire, es la contraposición más radical a una forma geométrica con estabilidad dimensional en el tiempo, una manera muy sofisticada y algo pedante de definir un sólido. Y, sin embargo, el “material” resultante de la combinación de la clara y el aire es casi un sólido. No deja de ser también sorprendente que cuando golpear o batir son acciones asociadas a ruptura o desorden, nosotros consigamos en este caso una mejor estructuración de la materia.

Pensemos ahora en las pompas de jabón. Experimentemos soplando aire en un vaso de agua. Formamos burbujas pero de tamaño reducido y con la crónica anunciada de su muerte reflejada en su corta esfericidad. Hagamos lo mismo con un poco de agua y una gota del misterioso Fairy. Aquello es una orgía de burbujas que surgen, colapsan, se agigantan, se colorean e inundan el espacio que les demos.

Ambos efectos tienen su origen en un concepto no muchas veces bien entendido: la llamada tensión superficial de un líquido. Puede definirse de muchas maneras pero probablemente la menos conflictiva de entender es la que identifica la tensión superficial con la fuerza por unidad de superficie que mantiene unidas entre sí a las minúsculas moléculas que componen un líquido. En el caso de agua las moléculas en juego son unas 33.300.000.000.000.000.000.000.000 por cada botella de litro de agua. Esa portentosa agua que nos rodea, debe muchas de sus propiedades a su elevada tensión superficial, reflejo de la importante fuerza que mantiene unidas a sus entidades. Y así, su alto punto de ebullición (100ºC) no tiene nada que ver con el de moléculas de similar tamaño y parecida estructura. Por ejemplo, el metano, que hierve a -164ºC y, por tanto, de ahí en adelante es un gas como Dios manda. Otra propiedad derivada de esa fortaleza de unión entre las moléculas del agua es la causante de que insectos y objetos de poco peso queden sobre la superficie del agua de mares y lagos, como si estuvieran sobre una membrana que opone resistencia a su rotura.

Esa tensión superficial elevada, sin embargo, es un enemigo poderoso a la hora de formar burbujas. Podemos imaginar una burbuja como una especie de globo con paredes delgadas de agua y con su interior lleno de aire. Si las moléculas de agua se atraen entre sí fuertemente, hinchar ese “globo” es difícil, las burbujas son pequeñas y la fuerza elástica generada por la tendencia de las moléculas de agua a estar más y más juntas hace que sus burbujas, además de ser pequeñas, tengan una vida efímera.

Las moléculas de los detergentes como el Fairy son moléculas largas de carbono e hidrógeno con un extremo de carácter iónico. Como consecuencia de ello, casi toda la molécula (la parte que contiene carbono e hidrógeno) odia el agua. Pero el extremo iónico de cada molécula adora el agua. Tener que mantener el tipo con semejante dicotomía obliga a las moléculas del detergente a comportamientos muy particulares. Por ejemplo, cuando se adicionan al agua forman estructuras tipo esfera o cilindro con las cadenas hidrocarbonadas hacia el interior y los extremos iónicos en el exterior, en contacto con el agua. De esa forma maximizan el contacto entre si de zonas que odian el agua y facilitan el contacto con ella de sus componentes más amigos del agua. Cuando usando aire forzamos a la disolución a formar burbujas las moléculas del detergente hacen con las moléculas de agua una especie de sandwich. Las colas de carbono e hidrógeno se orientan hacia el interior y el exterior de la burbuja y las partes iónicas son las que se relacionan con las moléculas de agua que hay en la fina capa que constituye la burbuja. Las interacciones entre los grupos iónicos y el agua rebaja la tensión superficial del agua. Al disminuir la tensión superficial es como si estuviéramos ante un globo hinchable de pareces más fácilmente deformables. Las pompas pueden hacerse más grandes y si no hay agresiones externas importantes, tardan tiempo en colapsar.

En las claras a punto de nieve el efecto es similar. La clara tiene un importante porcentaje de agua pero, por el mismo precio, la gallina nos proporciona también las sustancias que van a permitir la formación de espumas. ¿Cuales son?. Las proteínas, cadenas también largas, enrolladas generalmente en forma de hélices. Cuando las batimos, esa estructura ordenada tiende a desaparecer, permitiendo que varias moléculas de proteinas se unan entre sí en las paredes de las burbujas por medio de puentes de hidrógeno de sus grupos -NH- y -SH, formando una especie de “cemento” proteínico que estabiliza la burbuja. Pero la cosa tiene su límite. Si ese efecto asociativo es demasiado importante, la burbuja puede colapsar, por las mismas razones que colapsaban las pequeñas burbujas de agua pura. De hecho, los cocineros han usado desde hace más de tres siglos pequeños trucos para aumentar la estabilidad de sus claras a punto de nieve. Uno que ha generado un encendido debate es el uso de recipientes de cobre, que la experiencia demuestra son muy útiles para ese fin. La teoría que hoy parece haberse abierto paso es que el cobre forma complejos muy fuertes con los grupos -SH, con lo que los inhabilita para que las proteínas se asocien demasiado, facilitando así la estabilidad de la espuma.

Espumas más rígidas pueden obtenerse cuando el proceso de formación de burbujas entre un líquido y un gas van acompañadas de reacciones químicas que van endureciendo el líquido. La preparación de un bizcocho es un ejemplo gastronómico pero para que se me siga viendo el plumero incluiré también el proceso conocido como curado de resinas poliméricas (que no es sino hacer cocina con los polímeros).

Uno y otro proceso combinan el endurecimiento de un líquido viscoso original, debido al calor del horno, con un proceso de formación de un gas que, al intentar salir de la masa que esta solidificando, crea una estructura esponjosa, de baja densidad, que da su aspecto característico tanto a un bizcocho como a una espuma de poliestireno expandido, esa especie de corcho blanco, liviano de peso, que se usa para aislamientos térmicos y acústicos y también como embalaje. La sustancia que da lugar al gas que va a generar la estructura porosa se denomina agente espumante.

En el caso del bizcocho, hay dos alternativas, las levaduras de origen natural o productos químicos vendidos en botes como el de la figura y que contiene mezclas de bicarbonato sódico con un segundo componente de carácter ácido (el que se usaba originalmente era el ácido tartárico, hoy se usan otras sustancias como el sulfato o el pirofosfato de aluminio y sodio. En uno y otro caso se produce CO2; en el primer caso porque las levaduras metabolizan la glucosa, de forma similar a como lo hacen en la fermentación del vino, produciendo también aquí el dióxido de carbono. En el segundo caso, porque el calor del horno y el medio ácido descompone el bicarbonato, produciendo el mismo CO2. Este trata de salir de la masa que se está endureciendo por efecto del calor y como consecuencia de ello la esponja.

En los poliestirenos expandidos, la idea es casi idéntica. El poliestireno se mezcla con una sustancia, la azodicarbonamida, que por acción del calor se descompone dando CO2 que, al tratar de salir de la masa de poliestireno fundido, la llena de huecos vacíos. Cuando se enfría el conjunto, el material resultante es una estructura sólida y porosa, un “bizcocho” de poliestireno, de ningún valor gastronómico pero que se vende por toneladas, a pesar de su poco peso.

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Boredom is the highest mental state, según Einstein. Pero, a veces, aburrirse cansa. Y por eso ando en esto, persiguiendo quimiofóbicos.