Plasma se propaga diretamente dentro da água, sem precisar de gás

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/07/2021

Além de dados surpreendentes e inesperados, o experimento científico produziu imagens belíssimas de raios dentro d'água.
[Imagem: Ignition et al. - 10.1063/5.0045697]

Plasma na água

O plasma, conhecido como quinto estado da matéria, é como um gás que esquentou tanto que todos os seus átomos constituintes se desmancharam, deixando para trás uma confusão superaquecida de partículas subatômicas.

Sua compreensão é importante porque o plasma está por toda parte, dos ambientes astrofísicos e relâmpagos nas tempestades até o interior dos reatores de fusão nuclear, passando por inúmeras aplicações tecnológicas, como nas soldagens de metais.

É por isso que a professora Katharina Grosse, da Universidade Ruhr, na Alemanha, queria entender como o plasma pode não apenas inflamar - "dar a ignição", como ela chama - como também se propagar dentro d'água.

A teoria atual propunha que, quando se gera um plasma dentro da água, forma-se-ia uma alta diferença de pressão negativa na ponta do eletrodo que dispara a energia, o que levaria à formação de pequenas fissuras no líquido, com expansões na faixa dos nanômetros, "bolsas de ar" pequenas mas suficientes para que o plasma pudesse então se espalhar.

Mas não foi isso que a professora Grosse viu ao fazer fotos de alta velocidade de um plasma sendo gerado e se espalhando na água.

Tunelamento dos elétrons

Os experimentos mostraram que simplesmente não há tempo para que se formem ambientes de gás no interior da água, pelos quais o plasma possa se espalhar.

Em vez disso, a propagação do plasma no líquido é feita por elétrons gerados por efeitos de campo - em outras palavras, o plasma inflama diretamente no líquido.

De acordo com as observações, as condições da água são extremas no momento da ignição do plasma. Por um curto período de tempo, criam-se pressões de muitos milhares de bar, que superam a pressão no ponto mais profundo do oceano Pacífico, bem como temperaturas comparáveis à temperatura da superfície do Sol.

Com energia suficiente, a própria água pode virar plasma instantaneamente.
[Imagem: Carl Caleman/CFEL/DESY/Uppsala University]

Sem "caminhos de gás" para se espalhar, a equipe foi buscar uma explicação para a ignição e condução do plasma na água em um efeito bastante conhecido da mecânica quântica, o efeito túnel.

O tunelamento quântico descreve o fato de que as partículas são capazes de cruzar uma barreira de energia que não deveriam ser capazes de cruzar de acordo com as leis da física convencional, porque elas não teriam energia suficiente para isso. Mas, como também são vistas como ondas pela mecânica quântica, elas de fato tunelam - os transistores de tunelamento quântico estão aí para comprovar.

"Se você olhar as gravações da ignição do plasma, tudo indica que os elétrons individuais tunelam através da barreira de energia das moléculas de água até o eletrodo, onde acendem o plasma localmente, precisamente onde o campo elétrico é mais alto," disse Grosse.

Discussões teóricas e práticas

Apesar dos dados que a corroboram, esta ainda é apenas uma teoria, e o campo deve fervilhar com discussões entre os especialistas, sobretudo com os defensores do modelo anterior.

Mas a discussão promete dar bons frutos, uma vez que compreensão do processo de ignição do plasma debaixo d'água é promissor para aplicações práticas.

Os espectros de emissão mostram que, em pulsos de nanossegundos, as moléculas de água não têm mais como compensar a pressão do plasma, o que as força a se dividir em seus componentes - hidrogênio e oxigênio. Este último reage prontamente com as superfícies, e é precisamente aí que reside o grande potencial: "O oxigênio liberado pode potencialmente reoxidar as superfícies catalíticas nas células eletroquímicas para que sejam regeneradas e, mais uma vez, desenvolvam totalmente sua atividade catalítica," disse Grosse.

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