Más allá de los sólidos y los líquidos: la ciencia del juguete ‘slime’ Teach article

¿Es un sólido? ¿Es un líquido? ¡Es ‘slime’! Elabora ‘slime’ para explorar el concepto de visco elasticidad, y después asume el reto de diseñar un material.

Introducción

La materia se clasifica convencionalmente en tres estados fundamentales: sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, está claro que existen algunos materiales que no encajan perfectamente en una sola categoría. La Actividad 1 animará a los/as estudiantes a explorar este concepto.

Un material que no encaja claramente en ninguna de estas categorías es algo que los/as estudiantes probablemente conocen: ¡el juguete ‘slime’ hecho a base de un polímero gomoso! En la Actividad 2, los/as estudiantes crearán un ‘slime’ con ingredientes que no son peligrosos y aprenderán sobre la propiedad llamada visco elasticidad. Con esta actividad se introduce a los/as estudiantes a la idea de que los materiales se pueden clasificar con base en la repuesta que tienen a la aplicación de fuerzas estresantes.

Por último, la Actividad 3 consiste en un reto en equipo, donde los/as estudiantes deben crear un polímero específicamente para una aplicación en particular.

Actividad 1: Clasificación de los materiales

Normalmente, los sólidos se describen como materiales que tienen una forma determinada y los líquidos como materiales que fluyen. Pero al observar objetos de la vida cotidiana, como la pasta de dientes, es aparente que existen materiales que se comportan de manera dual: al aplicar algún tipo de estrés, como la presión, se deforman y muestran características como las de los líquidos. Sin embargo, si el material no se somete a suficiente estrés, este conserva su forma como si fuera un sólido. Para determinar sus usos en diferentes aplicaciones, es esencial medir con precisión la relación entre las propiedades que los sólidos y los líquidos tienen en común.

Tiempo estimado de duración: 30 min

Para edades de: 9 a 16 años.

Materiales

• Objetos con diferentes respuestas al estrés (por ejemplo, madera, metal, pegamento, kétchup, poliestireno, plasticina, masa playdough, pelotas de hule para apretar, gomitas de dulce, jalea, goma de mascar, esponja, pasta de dientes…)
• Tabla para evaluar los materiales (una por estudiante/equipo para cada material)
• Tabla del sumario de la evaluación de los materiales
• Bolígrafo y papel
• Hoja de información sobre la visco elasticidad

Procedimiento

1. Revisa con los/as estudiantes sus conocimientos acerca de sólidos, líquidos y gases.
2. Presenta uno de los materiales que no encaja exactamente en ninguna de estas categorías, como la plasticina, y pregunta a los/as estudiantes qué tipo de material creen que es y por qué.  Tal vez no todos los materiales se pueden clasificar fácilmente como sólidos o líquidos.
3. Reparte las tablas para evaluar los materiales (una por equipo) y distribuye los diferentes objetos, o colócalos sobre el escritorio al frente del aula y permite que los/as estudiantes los seleccionen. Los/as estudiantes pueden trabajar individualmente o en equipo.
4. Los/as estudiantes deben usar las tablas de evaluación para tratar de determinar si los objetos son sólidos o líquidos al tacto, al estirarlos y al tratar de deformarlos, y después llenar la tabla para evaluarlos.
5. Al final, cada estudiante o equipo deben llenar la tabla del sumario de la evaluación de los materiales.
6. Sostengan una discusión en clase donde los/as estudiantes puedan comparar sus resultados. ¿Llegaron a las mismas conclusiones? Debe quedar claro que, con base en las propiedades observadas, algunos materiales se clasifican fácilmente como sólidos o como líquidos, pero existen otros que parecen tener propiedades de ambos.
7. Reparte la hoja de información sobre visco elasticidad para dar contexto a las observaciones y preparar el escenario para la actividad que sigue.

Discusión

Con estudiantes de 12 años en adelante, se puede incluir en la discusión el efecto que tiene la temperatura en las propiedades de visco elasticidad y cómo describirían la fuerza que se debe aplicar para deformar cada material (fuerza leve o intensa, rápida o lenta, o el tamaño del área donde se aplica la fuerza).

Actividad 2: Crea tu propio ‘slime’

El juguete a base de un polímero gomoso llamado ‘slime’ es muy popular, y elaborarlo es un experimento divertido. Se elabora a partir de la reacción química entre las moléculas del alcohol polivinilo (PVOH), derivadas de las moléculas de polivinilo acetato (PVA) presentes en el pegamento escolar, con el bicarbonato de sodio y con aniones de borato presentes en la solución para lentes de contacto. ^[1]

En esta actividad, los/as estudiantes pueden elaborar el ‘slime’ a partir de ingredientes fáciles de encontrar y seguros. Al variar ligeramente las proporciones de los reactivos, es posible obtener materiales que se comporten de forma distinta, desde un líquido viscoso a un sólido elástico. Es una buena oportunidad para aprender sobre reacciones químicas, polímeros y caracterización mecánica.

Tiempo de duración estimado: 60 min

Edades: Esta actividad se puede hacer a diferentes niveles de complejidad, con estudiantes de 9 a 16 años.

Materiales

• Hoja de información sobre la química del ‘slime’
• Hoja de trabajo para la Actividad 2
• Tabla para evaluar los materiales (una por equipo)
• Pegamento escolar (elaborado a partir de la dispersión del acetato polivinilo en agua)
• Bicarbonato de sodio
• Solución de lentes de contacto (que contenga ácido bórico, el ingrediente esencial)
• Vaso de precipitado de 100 ml
• Dos jeringas, tubos ensayo falcón, o probetas (para el pegamento y para la solución de lentes de contacto)
• Agitador o espátula
• Colorante para alimentos o una tinta soluble en agua, como fluoresceína (opcional)
• Recipientes con tapadera para guardar el ‘slime’ por varios días

Procedimiento

Antes de empezar, se deben formar cuatro equipos, de preferencia con dos a tres miembros en cada uno. Con ayuda de la guía, obtendrán materiales con diferentes respuestas mecánicas al usar diferentes proporciones de los reactivos.

1. Presenta la actividad y reparte la hoja de información  acerca del ‘slime’.
2. Después reparte las hojas de trabajo de la Actividad 2. Pide a cada equipo que subrayen o marquen el renglón en la tabla que les corresponde.
3. Con la ayuda de las jeringas, pide a los/as estudiantes que midan 10 ml de pegamento y luego lo transfieran al vaso de precipitado. 
4. Después agregarán la cantidad de agua indicada en la Tabla 1 que corresponda a su equipo, al mismo vaso de precipitado.
5. Se agrega una pizca de bicarbonato de sodio, y se agita la solución para que se disuelva.
6. Opcional: Se puede agregar una gota pequeña de un colorante comestible o tinta en esta etapa. Sin embargo, esto puede cambiar las propiedades del material, por lo que solo se debe agregar una cantidad pequeña, y se debe usar el mismo colorante para todas las muestras. No se deben comparar entre sí mezclas de ‘slime’ de diferentes colores.
7. Después agregar la cantidad de solución de lentes de contacto que se indica en la Tabla 1 que corresponde a su equipo.
8. La mezcla se debe agitar vigorosamente durante varios minutos para cerciorarse de que los componentes se mezclen completamente.
9. Después de esperar (sin agitar más) por 5 min, los/as estudiantes pueden sacar el ‘slime’ de su recipiente y jugar con él durante algunos minutos para sentir sus propiedades, luego deben formar una bola con este.

10. Después, deben analizar sus propiedades con ayuda de la tabla de evaluación de materiales, y luego anotar los resultados de su ‘slime’ en la tabla del sumario.
11. Si los/as estudiantes quieren agregar una gota de colorante comestible o tintura, deben anotar las propiedades antes y después de la adición.
12. Después de 30 min los materiales se recogen y se realiza la prueba de extendimiento. Con cada uno de los materiales se forma una bola y se ponen todos simultáneamente sobre una mesa. Después de algunos minutos, los materiales se van a extender sobre la superficie debido a la gravedad, a diferentes velocidades. De esta forma se demostrarán las diferentes áreas de extensión.
13. Comparen los resultados para los diferentes materiales (1–4) entre todos los equipos de la clase. ¿Qué efecto tiene agregar una proporción mayor de solución de lentes de contacto a la fórmula? ¿O agregar una proporción mayor de agua?

Discusión

El ‘slime’ es deformable y muy flexible. La respuesta mecánica depende del tipo de estrés que se aplica y la escala de tiempo que se use. Cuando se deja reposar, fluye y se comporta como un líquido viscoso, pero cuando se somete a un estrés constante, como hacer una bola con tus manos, puede mantener su forma. Si lo golpeas con suficiente fuerza, como aventarlo al piso, no se extiende en la superficie, sino que actúa como un sólido elástico. Los/as estudiantes de 12 años en adelante también pueden considerar cómo otras propiedades, como la flexibilidad, la adherencia, la dureza y el regreso a su estado inicial, se ven afectadas de acuerdo a las diferentes fórmulas.

Actividad 3: ¡Reto de las aplicaciones!

Después de realizar los experimentos de síntesis y con diferentes fórmulas de ‘slime’, el reto para los/as estudiantes será diseñar un material hecho de ‘slime’ con cierto balance entre las propiedades de viscosidad y elasticidad para que sea útil en una de las dos aplicaciones que se proponen.

Tiempo estimado de duración:  90 min

Edades: de 12 años en adelante.

Materiales

• Hoja de trabajo para la Actividad 3
• Pegamento escolar (hecho a base de la dispersión del acetato polivinilo en agua)
• Bicarbonato de sodio
• Solución para lentes de contacto (que contenga ácido bórico, el ingrediente esencial)
• Vaso de precipitado de 100 ml
• Dos jeringas, tubos de ensayo falcón o probetas (para el pegamento y para la solución para lentes de contacto)
• Agitador o espátula
• Colorante comestible o una tinta soluble en agua, como la fluoresceína (opcional)
• Recipientes con tapadera para guardar el ‘slime’ por varios días
• Balanza
• Regla para medir la altura de rebote
• Un frasco de 50 ml, con una abertura de 1.5 cm de diámetro en la tapa (una por equipo para cuando hagan el reto con la jalea)

Procedimiento

1. Divide a los/as estudiantes en equipos de tres.
2. Reparte las hojas de trabajo para la Actividad 3 y explica que el objetivo es diseñar un material hecho de ‘slime’ con propiedades que se puedan usar en las siguientes aplicaciones
   • Jalea: para una aplicación comestible, una jalea que se pueda verter desde un contenedor con una abertura pequeña.
   • Pelota que rebote: para una aplicación divertida, una pelota de un material que rebote lo más alto posible.

Deberán usar el mismo procedimiento básico de síntesis para elaborar ‘slime’ de la Actividad 2, así como la información que aprendieron sobre cómo los cambios en la receta afectan sus propiedades.

3. Opcional: entre todos/as los/as estudiantes deben discutir, proponer y definir los procedimientos experimentales de evaluación (por ejemplo: el número de experimentos que se van a considerar en la decisión final). Si no lo hacen, muestra los procedimientos experimentales de los pasos 4 y 5.
4. Para evaluar la jalea, se llena un frasco o botella de 50 ml con el material, después se voltea boca abajo sobre un recipiente grande con un soporte de cartón para que no se mueva. Con un cronometro se mide cuánto tiempo tarda en vaciarse la botella. Otra alternativa es pesar los recipientes antes del experimento y otra vez después de un tiempo determinado, como 2 min. Si el reto se convierte en una competencia, el equipo que tarde menos en drenar su botella, o el que contenga la mayor cantidad de jalea en el segundo recipiente después del tiempo determinado, gana.

5. Para evaluar la pelota que rebota, se usan 20 g del material para formar una pelota que se deja caer desde una altura de 1 m. Con la ayuda de un video grabado con un móvil desde una posición frontal, y con una escala de un metro en la pared como referencia, se puede determinar la altura que alcanza la pelota al rebotar. Si se trata de una competencia, el rebote a mayor altura es el ganador.
6. Los/as estudiantes tienen 60 min para producir, evaluar y refinar la fórmula de sus materiales con base en las instrucciones de la guía. Los/as estudiantes después evalúan los materiales enfrente de toda la clase. Nota: el ’slime’ tiende a solidificarse con el tiempo, así que los materiales finales se deben evaluar idealmente a intervalos de tiempo similares después de haberlos creado.

Discusión

Anima a los/as estudiantes a pensar en las propiedades de viscoelasticidad presentes en materiales cotidianos, sobre todo alimentos. ¿Podrían compilar una lista de sustancias que se pueden estirar, que son viscosas, que rebotan, etc.? ¿Qué hay de los alimentos tradicionales? ¿En qué casos se han diseñado estas propiedades intencionalmente para una función particular o una propiedad comestible (como ser masticables)?

El kétchup es un ejemplo interesante, ya que es un fluido no-Newtoniano que muestra propiedades de deformación por cizalladura, que es la razón por la cual no se puede verter fácilmente desde la botella, pero fluye una vez que agitas la botella (leer los recursos para mayor información).

En general, estas actividades son una oportunidad para explorar las propiedades de los materiales; son una introducción al campo del diseño de materiales y al método científico como el diseño de experimentos, cambio de una variable, y cómo definir las pruebas para evaluar las propiedades relevantes.

Acknowledgments

ACO y VO recibieron fondos de la Universidad de Milán Bicocca y la Universidad del Este del Piamonte, que les permitieron viajar con esta idea a la feria Science is Wonderful en marzo del 2023, y después al evento abierto de la UE en mayo del 2023.

ACO ha recibido a través del proyecto SURFICE, fondos del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, bajo el acuerdo no. 956703 de la beca Marie Skłodowska-Curie.

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Supporting materials

Tabla para evaluar materiales

Tabla del sumario para materiales (pdf)

Tabla del sumario para materiales (docx)

Hoja de información visco elasticidad

Hoja de información slime

Hoja Actividad 2

Hoja Actividad 3

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