Na década de 1960, perfuradores notaram que certos fluidos se tornavam mais firmes se fluíssem rápido demais. Os pesquisadores finalmente explicaram o porquê.
Os fluidos podem ser divididos em duas categorias: normais e estranhos. Os normais, como água e álcool, agem mais ou menos conforme o esperado quando bombeados por canos ou mexidos com uma colher. Espreitando entre os estranhos – que incluem substâncias como tinta, mel, muco, sangue, ketchup e oobleck – está uma vasta variedade de enigmas comportamentais que confundiram os pesquisadores ao longo dos séculos.
Um desses quebra-cabeças de longa data, articulado pela primeira vez há quase 55 anos, surge quando certos líquidos fluem através de rachaduras e buracos em uma paisagem porosa, como solo esponjoso. No início, o líquido fluirá normalmente. Mas à medida que sua taxa de fluxo aumenta, ele ultrapassará um limite crítico onde de repente parecerá coalescer – sua viscosidade disparando como um martini transformando-se em melaço.
Um novo estudo aponta o efeito em pequenas moléculas suspensas no fluido que giram e se esticam conforme a taxa de fluxo aumenta. Em algum ponto, o movimento molecular faz com que o fluxo de fluido se torne caótico, surgindo e ondulando em redemoinhos convolutos que se enrolam. O início do caos é o que impede o movimento do fluido. A descoberta pode ter aplicações que vão desde a impressão 3D até a remediação de águas subterrâneas e recuperação de óleo.
“Este é um lindo manuscrito”, disse Paulo Arratia, que estuda fluidos complexos na Universidade da Pensilvânia e não esteve envolvido no trabalho.
Na década de 1960, o reologista Arthur Metzner e seu aluno de graduação Ronald Marshall trabalhavam em campos de petróleo, onde os engenheiros costumavam injetar água misturada com os chamados fluidos de propulsão no solo para deslocar o petróleo e ajudar a extrair cada gota de petróleo. Os cientistas notaram que quando o fluido impulsor, que contém polímeros de cadeia longa, foi bombeado para o solo acima de uma certa taxa, pareceu inesperadamente se tornar muito mais viscoso ou pegajoso, um efeito encontrado posteriormente em muitos sistemas semelhantes.
“A viscosidade é uma das coisas mais importantes que você deseja prever, controlar e caracterizar”, disse Sujit Datta, engenheiro químico da Universidade de Princeton que encontrou o artigo de Metzner e Marshall de 1967 sobre o assunto quando era estudante de graduação. “Eu estava tipo, ‘é meio embaraçoso que mesmo depois de décadas de pesquisas profundas ainda não temos ideia de por que a viscosidade é o que é e como explicar o aumento. ‘”
Os fluidos empurradores e outros fluidos viscoelásticos, como são conhecidos, podem conter moléculas longas e complexas. No início, os cientistas pensaram que talvez essas moléculas estivessem se acumulando nos poros do solo, bagunçando-as como cabelo no ralo. Mas eles logo perceberam que estes não eram tamancos simples. Assim que a taxa de fluxo caiu abaixo de um limite crítico, a obstrução pareceu desaparecer completamente.
Uma virada aconteceu em 2015, quando um grupo do Schlumberger Gould Research Center em Cambridge, Inglaterra, simplificou o problema. Os pesquisadores construíram um análogo bidimensional de solo arenoso, com canais de tamanho submilímetro que conduzem a uma matriz labiríntica de peças em forma de cruz. Eles então bombearam fluidos contendo diferentes concentrações de moléculas através do sistema. A equipe notou que acima de uma determinada taxa de fluxo, o movimento do fluido tornou-se confuso e desordenado nos espaços entre as cruzes, diminuindo muito o movimento geral do líquido.
Em teoria, algo assim deveria ser quase impossível. Os fluidos regulares são fortemente influenciados pela inércia, sua tendência de continuar fluindo. A água, por exemplo, tem muita inércia. Conforme a água se move cada vez mais rápido, pequenos riachos dentro do fluxo começarão a ultrapassar outras seções do fluido, levando a redemoinhos caóticos.
Em contraste, um fluido complexo como o mel tem muito pouca inércia. Ele irá parar de fluir no momento em que você parar de mexer. Por causa disso, ele tem problemas para gerar “turbulência inercial” – o tipo comum de turbulência que acontece em uma correnteza ou sob as asas de um avião.
Os experimentos do grupo de Cambridge, bem como o comportamento observado por Metzner e Marshall, aconteceram em fluidos onde os efeitos da inércia eram muito baixos. Nenhuma turbulência inercial deveria ter aparecido, mas os pesquisadores ainda encontraram um fluxo caótico.
Um segundo tipo de turbulência tinha que estar em ação. Quando líquidos contendo longas cadeias moleculares fluem calmamente, esses polímeros simplesmente flutuam como pequenas barcaças. Mas à medida que a taxa de fluxo aumenta, as moléculas começam a girar e girar. O movimento molecular empurra o líquido e gera um fenômeno chamado turbulência elástica, que os cientistas ainda não entendem completamente.
Para investigar o possível papel da turbulência elástica, os experimentadores em Cambridge misturaram partículas fluorescentes brilhantes em seus fluidos para rastrear o movimento e viram que os fluidos se tornaram desordenados nos espaços entre as cruzes em sua configuração. Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram conectar a turbulência elástica com o aumento inesperado da viscosidade dos líquidos em paisagens porosas, disse Datta.
Cortesia de Datta Lab
A questão era se algo semelhante se manteria em três dimensões. Em seu laboratório, Datta investiga essas questões usando contas de vidro que imitam o solo ou sedimento transparentes. “Há esta citação do grande filósofo e jogador de beisebol americano, Yogi Berra: ‘Você pode observar muito apenas assistindo'”, disse ele. “Acho que é todo o meu programa de pesquisa em poucas palavras.”
Datta e seu co-investigador Christopher Browne introduziram suas próprias micropartículas fluorescentes em fluidos contendo polímero, então filmaram o movimento dos fluidos complexos através de sua configuração. À medida que a vazão aumentava, o líquido começava a girar e girar de volta sobre si mesmo, primeiro em um ou dois poros, depois em vários outros e, por fim, em todos os poros. Os pesquisadores sabiam que isso tinha que ser turbulência elástica porque a influência da inércia nessas substâncias era extremamente baixa, pelo menos um milhão de vezes abaixo do limite típico para o surgimento da turbulência inercial. Suas descobertas apareceram em 5 de novembro na Science Advances.
Datta está mais animado com o potencial de aproveitar a turbulência elástica para limpar águas subterrâneas sujas. Os pesquisadores tentaram limpar aqüíferos subterrâneos poluídos bombeando neles um fluido contendo polímero, que deve forçar a água através das rochas subterrâneas que prendem os contaminantes. O novo trabalho pode ajudar os pesquisadores a formular os fluidos para melhor realizar essa tarefa, disse Datta.
Datta e Browne agora esperam voltar às questões que surgiram de seu trabalho. Pode-se presumir que os menores poros em um meio são os que primeiro se tornam turbulentos, mas não parece haver uma correlação clara entre o tamanho dos poros e o início da turbulência elástica, disse Datta. Determinar exatamente quais fatores são mais relevantes, como o formato dos poros ou a geometria geral, é seu próximo objetivo.
“Se pudéssemos descobrir quando um determinado poro se tornará instável em uma determinada taxa de fluxo para prever qual será o comportamento geral do fluxo, acho que seria incrível”, disse ele.
Publicado em 05/01/2022 08h47
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