Ao perturbar o equilíbrio termodinâmico dos líquidos, os físicos fizeram com que eles se comportassem de maneira bem diferente de como se comportam na natureza – conseguindo transformar os líquidos em quadrados e hexágonos de lados retos e padrões de reticulados.
Isso não é apenas fascinante por si só, mas pode nos ajudar a entender melhor como os líquidos se comportam em diferentes condições – o que tem implicações em uma variedade de campos, da física à pesquisa médica.
“As coisas em equilíbrio tendem a ser muito enfadonhas”, disse o físico Jaakko Timonen, da Universidade Aalto, na Finlândia.
“É fascinante tirar os sistemas do equilíbrio e ver se as estruturas em desequilíbrio podem ser controladas ou úteis. A própria vida biológica é um bom exemplo de comportamento verdadeiramente complexo em um monte de moléculas que estão fora do equilíbrio termodinâmico.”
Você provavelmente vê equilíbrio termodinâmico regularmente, mesmo sem perceber. É o fenômeno que permite que o leite frio se misture uniformemente no café quente, à medida que as temperaturas – e, portanto, a energia cinética nas moléculas – dos dois líquidos se equilibram.
Mas quando o equilíbrio termodinâmico é interrompido, coisas interessantes podem acontecer, como o surgimento espontâneo de estados ordenados. Isso é do interesse de cientistas e engenheiros. Pode nos ajudar não apenas a entender o equilíbrio termodinâmico em si, mas vários materiais.
A equipe de pesquisa, liderada pelo físico da Aalto Geet Raju, projetou um experimento para explorar isso. Eles colocaram dois líquidos, óleos, com diferentes condutividades e permissividades relativas sob confinamento entre duas superfícies planas e não molhadas para induzir um plano quase bidimensional. Então, eles aplicaram um campo elétrico.
“Quando ativamos um campo elétrico sobre a mistura, a carga elétrica se acumula na interface entre os óleos”, disse o físico Nikos Kyriakopoulos, da Universidade Aalto. “Esta densidade de carga corta a interface do equilíbrio termodinâmico para formações interessantes.”
Na natureza, os líquidos são curvos. Na ausência de um recipiente, eles formam pequenas gotículas rechonchudas e redondas, presas por sua tensão superficial que as contém na menor área de superfície possível. Nos experimentos da equipe, eles foram induzidos a se organizar em padrões que nunca ocorrem em líquidos na natureza.
Isso incluía as formas geométricas de lados retos mencionados acima, bem como treliças interconectadas. A equipe também criou toruses (formas de rosquinhas) que geralmente não ocorrem na natureza, pois o líquido tende a preencher o buraco no meio, e também redes de filamentos. Eles até viram filamentos que giram em torno de um eixo.
“Todas essas formas estranhas são causadas e sustentadas pelo fato de que são impedidas de entrar em colapso de volta ao equilíbrio pelo movimento das cargas elétricas que se acumulam na interface”, disse Raju.
A capacidade de controlar as formas geradas pela aplicação de um campo elétrico bem ajustado tem uma ampla gama de aplicações muito interessantes, disseram os pesquisadores.
Por exemplo, pode ser usado para montar objetos em locais específicos em estruturas maiores e para automontagem de líquidos. Os filamentos rotativos têm implicações para a física das partículas. Por último, mas não menos importante, está o potencial da óptica.
“O sistema bifásico estudado aqui oferece possibilidades empolgantes como dispositivos ópticos por causa do controle excepcional sobre a interface líquido-líquido e estruturas fluídicas com campo elétrico”, escreveram os pesquisadores em seu artigo.
“Isso levará imediatamente a difusores ópticos de não equilíbrio controlados por voltagem tecnologicamente relevantes e cores estruturais baseadas em cristais fotônicos e vidros, controlando a formação, interações e automontagem das várias estruturas fluídicas demonstradas aqui.”
Publicado em 17/09/2021 09h03
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