Numa descoberta surpreendente que pode remodelar a mecânica dos fluidos, investigadores da Universidade Drexel mostraram que, sob certas condições, um fluido comum pode comportar-se como um sólido e fraturar. Pesquisa, publicada Carta de revisão físicamostraram que líquidos viscosos podem quebrar repentinamente quando esticados com força suficiente.
Esta descoberta sugere que a viscosidade, ou a resistência de um fluido ao fluxo, desempenha um papel muito maior no seu comportamento mecânico do que os cientistas acreditavam anteriormente. Isso abre a porta para novas formas de controlar fluidos em aplicações que vão desde hidráulica e impressão 3D até o fluxo sanguíneo corporal.
“Nossas descobertas mostram que se cada região for separada por força suficiente, um fluido simples – um fluido que flui – atingirá o que chamamos de ‘pressão crítica’ – quando realmente se formar como um sólido. E isso provavelmente é verdade para todos os fluidos comuns, incluindo exemplos comuns como água e óleo, “disse Thamires Lima, PhD, professor assistente de pesquisa na Faculdade de Pesquisa, que foi coautor do estudo. “Isso muda fundamentalmente nossa compreensão da dinâmica dos fluidos.”
Uma foto incrível durante o teste
A descoberta inesperada ocorreu enquanto Lima e sua equipe estudavam dois fluidos comuns em colaboração com a ExxonMobil Technology and Engineering Company. Durante um extenso teste de reologia – que mede quanta energia é necessária para fazer um fluido fluir – os pesquisadores fizeram algumas observações incomuns. Em vez de se expandirem e afinarem como o mel, os líquidos semelhantes ao alcatrão separaram-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 Nicolas Alvarez, Ph.D., professor da Faculdade de Engenharia, cujo laboratório conduziu a investigação. “Assim que confirmamos o fenômeno, o estudo se tornou um empreendimento científico completamente diferente.”
Usando uma câmera de alta velocidade, a equipe capturou o comportamento normalmente visto em sólidos. Quando esticados, os sólidos alongam-se até atingirem um ponto de tensão crítico e depois quebram-se repentinamente num processo conhecido como fratura frágil. Segundo os pesquisadores, esse tipo de fratura nunca foi visto antes em um líquido simples.
“Foi uma coisa incrivelmente incrível de se ver”, disse Lima. “A fratura produziu um estalo muito alto que realmente me assustou. A princípio pensei que a máquina tivesse quebrado, mas logo percebi que o som era da expansão do fluido.”
Viscosidade e ponto de ruptura crítico
Os primeiros líquidos a exibir esse comportamento foram misturas de hidrocarbonetos semelhantes ao alcatrão, que se decompõem a pressões críticas de 2 megapascais – aproximadamente a força que você sentiria se um saco de roupa suja cheio de 10 tijolos ficasse preso nas unhas ao cair.
Para explorar mais, os pesquisadores testaram outro líquido comum, o oligômero de estireno, com viscosidade semelhante. Ele quebrou sob as mesmas condições de estiramento, indicando que a viscosidade é um fator chave neste comportamento de ruptura semelhante ao sólido e sugerindo que muitos líquidos comuns podem compartilhar pontos de ruptura semelhantes.
A equipe então ajustou a temperatura para alterar a viscosidade. Em cada camada, eles encontraram uma taxa de deformação específica que desencadeou a fratura, sempre ligada à mesma tensão crítica de 2 MPa. Em baixas viscosidades, os líquidos não podiam ser quebrados porque o equipamento de teste não conseguia expandi-los com rapidez suficiente.
Desafiando suposições de retenção de longo prazo
Até agora, a fratura tem sido considerada uma propriedade da elasticidade, que é a capacidade do material de resistir ao armazenamento e ao estresse. Os fluidos comuns, entretanto, normalmente não armazenam pressão dessa maneira. Em vez disso, eles fluem quando a força é aplicada, em vez de dobrar ou quebrar.
Na maioria dos casos, a elasticidade só é relevante quando um líquido é resfriado abaixo de sua “transição vítrea”, onde começa a se comportar como um sólido. A observação da fratura em fluidos que ainda estão totalmente no estado líquido mostra que a fratura não está confinada a materiais elásticos.
“Embora os líquidos viscoelásticos e poliméricos – coisas como Oobleck ou lodo caseiro – tenham exibido um comportamento de fratura semelhante ao sólido, sempre se pensou que os líquidos comuns exibiam deformação contínua em temperaturas acima de sua transição vítrea e, portanto, não fraturariam”, disse Lima. “Mostrar que os efeitos viscosos são suficientes para promover o comportamento de fratura semelhante ao sólido abre um mundo de novas questões a serem exploradas nesta área de investigação científica.”
Um evento generalizado e inesperado
Os pesquisadores compararam um líquido comum, o oligômero estireno, com um líquido polimérico relacionado. Ambos fraturam no mesmo ponto crítico de tensão, sugerindo que a elasticidade não é responsável pelo comportamento de fratura em fluidos simples.
“Isso sugere que muitos outros fluidos elásticos podem quebrar em pontos críticos de tensão relativamente semelhantes”, disse Lima. “Isso indica um fenômeno que é relativamente independente da química e possivelmente generalizável para uma ampla gama de líquidos.”
O que causa fratura fluida?
A equipe planeja continuar investigando por que isso está acontecendo e até que ponto o impacto pode ser generalizado. As primeiras evidências apontam para a cavitação – um processo no qual pequenas bolhas de vapor se formam e colapsam rapidamente, criando ondas de choque no líquido – como uma possível explicação.
“Agora que relatamos esse comportamento inesperado, compreender completamente por que ele ocorre e como o comportamento se manifesta em outros fluidos é um próximo passo importante”, disse Lima. “Também será interessante ver como essa descoberta pode ser aplicada para auxiliar na fiação de fibras e outras aplicações que utilizam fluidos viscosos.”
