Numa descoberta surpreendente que pode mudar a mecânica dos fluidos, investigadores da Universidade Drexel mostraram que, sob certas condições, um líquido simples pode comportar-se como um sólido e entrar em colapso. Um estudo publicado em Revisão de planilhas físicasdemonstra que líquidos viscosos podem romper abruptamente quando esticados com força suficiente.
A descoberta sugere que a viscosidade, ou a resistência de um líquido ao fluxo, desempenha um papel muito maior no seu comportamento mecânico do que os cientistas pensavam anteriormente. Também abre a porta para novas formas de gerenciar fluidos em aplicações que vão desde hidráulica e impressão 3D até fluxo sanguíneo no corpo.
“Nossas descobertas mostram que, se for rasgado com força suficiente em uma área, um fluido simples – um fluido que flui – atingirá o que chamamos de ponto de ‘tensão crítica’, onde realmente se formará como um sólido. E isso provavelmente é verdade para todos os fluidos simples, incluindo exemplos comuns como água e óleo, “disse Tamires Lima, Ph.D., professor associado da Faculdade de Engenharia. Drexel, que ajudou a dirigir a pesquisa. “Isso muda fundamentalmente nossa compreensão da dinâmica dos fluidos.”
Foto incrível durante o teste
A descoberta veio inesperadamente quando Lima e sua equipe estudaram dois líquidos simples em colaboração com a ExxonMobil Technology & Engineering Company. Durante um extenso teste de reologia – que mede quanta força é necessária para fazer um líquido fluir – os pesquisadores notaram algo incomum. Em vez de se esticarem e afinarem como o mel, os líquidos semelhantes a alcatrão desintegraram-se subitamente.
“O que observámos foi tão inesperado que tivemos de repetir as experiências várias vezes para ter a certeza de que era real”, disse Nicholas Alvarez, Ph.D., professor da Faculdade de Engenharia cujo laboratório liderou o estudo. “Depois que confirmamos o fenômeno, a pesquisa tornou-se uma tarefa científica completamente diferente”.
Usando uma câmera de alta velocidade, a equipe capturou o comportamento normalmente visto em materiais sólidos. Em tensão, os sólidos alongam-se até atingirem um ponto crítico de tensão e depois quebram-se repentinamente num processo conhecido como falha frágil. Segundo os pesquisadores, esse tipo de fratura nunca havia sido observado antes em um líquido simples.
“Foi uma coisa incrivelmente incrível”, disse Lima. “A fratura causou um estalo muito forte, que realmente me assustou. A princípio pensei que a máquina tivesse quebrado, mas logo percebi que o barulho vinha do fluido sendo esticado.’
Viscosidade e ponto crítico de fratura
Os primeiros fluidos a exibir esse comportamento foram misturas de hidrocarbonetos semelhantes a alcatrão que se decompuseram sob uma tensão crítica de 2 megapascais – aproximadamente a força que você sentiria se um saco de roupa suja cheio de 10 tijolos prendesse sua unha durante uma queda.
Para investigar mais, os pesquisadores testaram outro líquido simples, um oligômero de estireno, com a mesma viscosidade. Ele fraturou sob as mesmas condições de tração, indicando que a viscosidade é um fator chave no comportamento de fratura do tipo sólido e sugere que muitos fluidos simples podem ter um ponto de fratura semelhante.
A equipe então ajustou a temperatura para alterar a viscosidade. Em cada nível, eles encontraram uma taxa de deformação específica que induziu a fratura, sempre ligada à mesma tensão crítica de 2 megapascais. Com viscosidade mais baixa, os fluidos não podiam ser quebrados porque o equipamento de teste não conseguia esticá-los com rapidez suficiente.
Desafiando suposições de longa data
Até agora, a fratura era considerada uma propriedade da elasticidade, que é a capacidade de um material armazenar e resistir a uma carga. No entanto, líquidos simples não costumam armazenar o estresse dessa forma. Em vez disso, eles fluem quando a força é aplicada, em vez de dobrar ou quebrar.
Na maioria dos casos, a elasticidade só se torna importante quando o líquido é resfriado abaixo da “transição vítrea”, o ponto onde começa a se comportar mais como um sólido. A observação de falhas em fluidos que ainda estão totalmente líquidos mostra que a falha não está limitada a materiais elásticos.
“Mesmo que fluidos viscoelásticos e poliméricos – coisas como Oobleck ou lodo caseiro – tenham apresentado comportamento de falha semelhante ao sólido, sempre se pensou que fluidos simples exibiam deformação contínua em temperaturas acima de sua transição vítrea e, portanto, não colapsam”, disse Lima. “Mostrar que os efeitos da viscosidade são suficientes para promover o comportamento de fratura semelhante ao sólido abre um mundo de novas questões a serem exploradas nesta área de pesquisa científica.”
Um fenômeno amplo e inesperado
Os pesquisadores também compararam um líquido simples, um oligômero de estireno, com um líquido polimérico relacionado. Ambos fraturaram no mesmo ponto crítico de tensão, indicando que a elasticidade não é responsável pelo comportamento de fratura em fluidos simples.
“Isso sugere que muitos outros fluidos elásticos também podem quebrar relativamente no mesmo ponto crítico de tensão”, disse Lima. “Isso aponta para um fenômeno que é relativamente independente da química e possivelmente generalizável para uma ampla gama de fluidos”.
O que leva à destruição de líquidos
A equipe planeja continuar pesquisando por que isso acontece e quão difundido o efeito pode ser. As primeiras evidências apontam para a cavitação – um processo no qual pequenas bolhas de vapor se formam e colapsam rapidamente, criando ondas de choque dentro de um líquido – como uma possível explicação.
“Agora que relatamos esse comportamento inesperado, trabalhar para entender completamente por que ele ocorre e como esse comportamento se manifesta em outros fluidos é um próximo passo importante”, disse Lima. “Também será interessante ver como essa descoberta pode ser aplicada à fiação de fibras e outras aplicações que utilizam fluidos viscosos.”
