Tire o equilíbrio e você terá gotas quadradas e redes fluidas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2021

As estruturas são inéditas e totalmente controladas por eletricidade - elas podem ser ligadas e desligadas.
[Imagem: Geet Raju et al. - 10.1126/sciadv.abh1642]

A chatura do equilíbrio termodinâmico

Quando juntamos duas substâncias, elas acabam se acomodando em um estado estacionário que chamamos de "equilíbrio termodinâmico". No dia a dia, vemos exemplos disso quando o óleo flutua sobre a água ou quando o leite se mistura uniformemente com o café.

Físicos da Universidade Aalto, na Finlândia, acharam tudo isso muito entediante e partiram então para tentar interromper esse tipo de equilíbrio para ver o que acontece - e se eles poderiam controlar o resultado.

"As coisas em equilíbrio tendem a ser muito chatas," disse o professor Jaakko Timonen. "É fascinante tirar os sistemas do equilíbrio e ver se as estruturas fora do equilíbrio 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."

Para tornar as coisas menos enfadonhas, a equipe usou combinações de óleos com diferentes constantes dielétricas e diferentes condutividades e, em seguida, aplicou um campo elétrico às misturas.

"Quando ligamos um campo elétrico sobre a mistura, a carga elétrica se acumula na interface entre os óleos. Esta densidade de carga tira a interface do equilíbrio termodinâmico e [a coloca] em formações interessantes," explicou Nikos Kyriakopoulos, membro da equipe.

Algumas das estruturas criadas pela equipe.
[Imagem: Geet Raju et al. - 10.1126/sciadv.abh1642]

Gotas quadradas e redes líquidas

Além de serem perturbados pelo campo elétrico, os líquidos ficaram confinados em uma folha fina, quase bidimensional. Essa combinação levou à remodelação dos óleos em várias gotas e padrões completamente inesperados.

Controlando o campo elétrico, as gotículas podem ser transformadas em quadrados e hexágonos com lados retos, o que é quase impossível na natureza, onde pequenas bolhas e gotículas tendem a formar esferas.

Os dois líquidos também podem ser transformados em redes interconectadas: Padrões matriciais que ocorrem regularmente nos materiais sólidos, mas são inéditos em misturas de líquidos. Os líquidos podem até ser forçados a formar um anel, que se mostrou estável e manteve sua forma enquanto o campo elétrico era mantido - ao contrário da natureza, já que os líquidos têm uma forte tendência a colapsar e preencher o buraco no centro. Os líquidos também podem formar filamentos que rolam e giram em torno de um eixo.

"Todas essas formas estranhas são causadas e sustentadas pelo fato de que elas são impedidas de colapsar de volta ao equilíbrio pelo movimento das cargas elétricas que se acumulam na interface," disse Geet Raju, principal responsável pelo experimento.

É uma verdadeira geometria líquida - de fato entusiasmante.
[Imagem: Aalto University]

Aplicações práticas

Além do ineditismo dessas bolhas quadradas e redes líquidas, a demonstração abre a possibilidade de criar estruturas temporárias, com tamanho controlado e bem definido, que podem ser ligadas e desligadas com eletricidade, uma área que os pesquisadores estão interessados em explorar mais para a criação de dispositivos ópticos controlados eletricamente.

Outro fruto potencial é a capacidade de criar populações interagentes de microfilamentos e microgotículas que, em algum nível elementar, imitem a dinâmica e o comportamento coletivo de microrganismos, como bactérias e microalgas, que se propelem usando mecanismos completamente diferentes.

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