Numa descoberta surpreendente que pode remodelar a mecânica dos fluidos, investigadores da Universidade Drexel descobriram que, sob certas condições, líquidos simples podem comportar-se como sólidos e rachar. O estudo foi publicado em Cartas de revisão físicao que significa que um líquido viscoso explodirá quando esticado 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. Ele também abre a porta para novas maneiras de controlar fluidos em aplicações que vão desde hidráulica até impressão 3D e fluxo sanguíneo no corpo.
“Os nossos resultados mostram que se cada região for separada com força suficiente, um líquido simples – um líquido em fluxo – atingirá o que chamamos de ponto de ‘tensão crítica’, altura em que se romperá como um sólido. Isto é provavelmente verdade para todos os líquidos simples, incluindo exemplos comuns como água e óleo, “disse Thamis Lima, Ph.D., professor assistente de pesquisa na Escola de Engenharia Drexel, que ajudou a liderar o estudo. “Isso muda fundamentalmente nossa compreensão da dinâmica dos fluidos.”
Momentos surpreendentes durante os testes
A descoberta ocorreu inesperadamente enquanto Lima e sua equipe trabalhavam com a ExxonMobil Technology and Engineering para estudar dois líquidos simples. Durante testes de reologia extensional (que medem quanta força é necessária para fazer um líquido fluir), os pesquisadores observaram algo incomum. Em vez de se esticar e afinar como o mel, esses líquidos semelhantes a alcatrão explodem repentinamente.
“O que observámos foi tão inesperado que precisámos de repetir a experiência muitas vezes para ter a certeza de que era verdade”, disse o Dr. Nicholas Alvarez, professor da Escola de Engenharia que liderou o estudo. “Assim que confirmamos o fenômeno, a pesquisa tornou-se um empreendimento científico totalmente diferente.”
A equipe usou câmeras de alta velocidade para capturar comportamentos comuns em materiais sólidos. Quando esticado, um sólido se alonga até atingir um ponto crítico de tensão e então se rompe repentinamente em um processo denominado fratura frágil. Os pesquisadores dizem que esse tipo de ruptura nunca foi observado antes em um líquido simples.
“Isso é algo incrivelmente surpreendente”, disse Lima. “A quebra causou um estalo muito alto, o que realmente me surpreendeu. A princípio pensei que a máquina estava quebrada, mas rapidamente percebi que o som vinha do fluido de alongamento.”
Viscosidade e ponto de ruptura crítico
O primeiro líquido a apresentar esse comportamento foi uma mistura de hidrocarbonetos semelhante ao alcatrão, que rachou sob uma tensão crítica de 2 MPa, que é equivalente à força sentida por um saco de roupa suja cheio de 10 tijolos se ficar preso na unha ao cair.
Para explorar ainda mais, os pesquisadores testaram outro oligômero de estireno líquido simples com a mesma viscosidade. Ele fraturou sob as mesmas condições de tração, indicando que a viscosidade é um fator chave neste comportamento de fratura semelhante a sólido e sugerindo que muitos líquidos simples podem ter pontos de fratura semelhantes.
A equipe então ajustou a temperatura para alterar a viscosidade. Em cada nível, encontraram uma taxa de estiramento específica que iniciou a fratura, que estava sempre associada à mesma tensão crítica de 2 MPa. Em viscosidades mais baixas, os líquidos não quebram porque o equipamento de teste não consegue esticá-los com rapidez suficiente.
Desafiando suposições de longa data
Até agora, a fratura tem sido considerada uma propriedade da elasticidade, que é a capacidade de um material armazenar e suportar tensões. No entanto, líquidos simples normalmente não armazenam pressão dessa forma. Em vez disso, quando a força é aplicada, eles fluem em vez de dobrar ou quebrar.
Na maioria dos casos, a elasticidade só se torna relevante quando o líquido esfria abaixo da sua “transição vítrea”, ponto em que o líquido começa a se comportar mais como um sólido. A observação da ruptura em líquidos que ainda são totalmente líquidos mostra que a ruptura não se limita aos materiais elásticos.
“Embora os líquidos viscoelásticos e poliméricos (como Oobleck ou lodo caseiro) tenham mostrado um comportamento de fratura semelhante ao sólido, acredita-se que os líquidos simples exibem deformação contínua acima de suas temperaturas de transição vítrea e, portanto, não fraturam”, disse Lima. “Mostrar que os efeitos viscosos são suficientes para promover o comportamento de fratura semelhante ao sólido abre um novo mundo de questões a serem exploradas nesta área de investigação científica.”
um fenômeno generalizado e inesperado
Os pesquisadores também compararam oligômeros de estireno líquido simples com líquidos poliméricos relacionados. Ambos rompem no mesmo ponto crítico de tensão, indicando que a elasticidade não é responsável pelo comportamento de ruptura em líquidos simples.
“Isso sugere que muitos outros líquidos elásticos também podem fraturar em pontos de tensão críticos relativamente semelhantes”, disse Lima. “Isso sugere um fenômeno relativamente independente quimicamente e pode ser aplicado a uma ampla gama de líquidos.”
O que faz com que os fluidos se quebrem
A equipe planeja continuar investigando por que isso ocorre e quão amplo pode ser o impacto. As primeiras evidências apontam para a cavitação, um processo no qual pequenas bolhas se formam e colapsam rapidamente, criando ondas de choque dentro de um líquido, como uma possível explicação.
“Agora que relatamos esse comportamento inesperado, um próximo passo importante é entender completamente por que isso ocorre e como esse comportamento se manifesta em outros líquidos”, disse Lima. “Também será interessante ver como essa descoberta pode ser aplicada para auxiliar a fiação de fibras e outras aplicações que utilizam líquidos viscosos.”
