Os cientistas desenvolveram um método inovador para estudar a metamorfose de líquidos sob pressão negativa, encapsulando-os em fibras ópticas. A tecnologia fornece uma maneira mais simples de medir a pressão usando ondas luminosas e sonoras, abrindo caminho para novas descobertas em termodinâmica e reações químicas. Como quantidade física, a pressão existe em vários campos: pressão atmosférica na meteorologia, pressão arterial na medicina e até mesmo panelas de pressão e alimentos selados a vácuo na vida diária.


Impressão artística de um capilar de vidro cheio de líquido. Ao encapsular líquidos em fibras ópticas, os cientistas observaram e mediram o efeito da pressão negativa usando ondas sonoras como sensores. Fonte da imagem: ©LongHuyDao

A pressão é definida como a força por unidade de área normal à superfície de um sólido, líquido ou gás. Dependendo da direção da força num sistema fechado, em casos extremos, pressões extremamente altas podem levar a reações explosivas, enquanto pressões extremamente baixas num sistema fechado podem causar a implosão do próprio sistema.

A sobrepressão sempre se refere a um gás ou líquido que comprime as paredes de um recipiente por dentro, como um balão que se expande quando mais ar é adicionado. Independentemente de alta ou baixa pressão, em circunstâncias normais, o valor numérico da pressão é sempre positivo.

No entanto, os líquidos têm uma propriedade especial. Eles podem existir em um estado variável específico correspondente ao valor da pressão negativa. Neste estado variável, mesmo pequenas influências externas podem fazer com que o sistema entre em colapso para um estado ou outro. Pense nisso como se estivesse sentado no topo de uma montanha-russa: um leve toque em um lado ou outro faz você cair para fora da pista.

No presente estudo, os cientistas estão estudando a metamorfose de líquidos sob pressão negativa. Para tal, a equipa de investigação combinou duas técnicas únicas para medir vários estados termodinâmicos num estudo publicado na Nature Physics.

Primeiro, pequenas quantidades (nanolitros) de líquido são encapsuladas em uma fibra óptica completamente fechada, permitindo que ela tenha altas pressões positivas e negativas. Posteriormente, através da interação especial das ondas luminosas e sonoras no líquido, os efeitos da pressão e da temperatura em diferentes estados do líquido podem ser medidos com sensibilidade. As ondas sonoras atuam como sensores que detectam valores de pressão negativa, explorando este estado único da matéria com alta precisão e resolução espacial detalhada.

(Da esquerda para a direita) Birgit Stiller, líder da equipe de pesquisa, com Andreas Geilen e Alexandra Popp no ​​laboratório. Fonte da imagem: © FlorianRitter, MPL

Efeitos da pressão negativa e técnicas de medição

O efeito da pressão negativa no líquido pode ser imaginado da seguinte forma: De acordo com as leis da termodinâmica, o volume do líquido diminuirá, mas o líquido será afetado pela força de adesão no capilar da fibra de vidro, assim como as gotas de água grudadas nos dedos. Isso faz com que o líquido “estique”. O fluido é separado, como um elástico sendo esticado.

Medir este estado exótico muitas vezes requer equipamentos sofisticados e precauções de segurança reforçadas. A alta pressão é um trabalho perigoso, especialmente com líquidos tóxicos. O dissulfeto de carbono usado pelos pesquisadores neste estudo é um desses líquidos. Devido a esta complexidade, os dispositivos de medição anteriores utilizados para gerar e determinar a pressão negativa exigiam uma grande quantidade de espaço laboratorial e até causavam perturbações nos sistemas em estado estacionário.

Usando o método descrito neste artigo, os pesquisadores desenvolveram um dispositivo minúsculo e simples que pode fazer medições de pressão muito precisas usando ondas de luz e som. A fibra óptica usada para esse fim tem a espessura de um fio de cabelo humano.

Comentários dos pesquisadores

"Quando novos métodos de medição são combinados com novas plataformas, alguns fenômenos que são difíceis de explorar com métodos comuns e estabelecidos tornam-se surpreendentemente acessíveis. Acho isso muito emocionante, "disse a Dra. Birgit Stiller, chefe do grupo de pesquisa de Fotoacústica Quântica do MPL. A equipe de pesquisa utilizou ondas sonoras que podem ser muito sensíveis para detectar mudanças de temperatura, pressão e deformação ao longo da fibra óptica. Além disso, podem ser feitas medições espacialmente resolvidas, o que significa que as ondas sonoras podem fornecer uma imagem do que está acontecendo dentro da fibra com resolução em nível centimétrico ao longo de seu comprimento.

“Nosso método nos permite obter uma compreensão mais profunda das dependências termodinâmicas deste sistema único de fibra óptica”, disse Alexandra Popp, uma das duas autoras principais do artigo.

Outro autor principal, Andreas Geilen, acrescentou: "As medições revelaram alguns efeitos surpreendentes. As observações do estado de pressão negativa tornam-se muito claras quando se olha para a frequência das ondas sonoras."

Aplicações potenciais e observações finais

A combinação de medições fotoacústicas com fibras capilares hermeticamente fechadas pode levar a novas descobertas no monitoramento de materiais e reações químicas de líquidos tóxicos em microrreatores que de outra forma seriam difíceis de estudar. Pode penetrar em áreas novas e inacessíveis da termodinâmica.

O professor Markus Schmidt do IPHT Jena e o Dr. Mario Chemnitz, também do IPHT Jena, enfatizam: "Esta nova plataforma de fibras de núcleo líquido totalmente seladas permite acesso a altas pressões e outros ambientes termodinâmicos. É muito significativo estudar ou até mesmo personalizar ainda mais os fenômenos ópticos não lineares nesta fibra. "

Esses fenômenos podem desbloquear novas propriedades potenciais anteriormente inexploradas no estado termodinâmico único do material.

Birgit Stiller conclui: "Nossos grupos de pesquisa em Erlangen e Jena estão colaborando de forma única em seus respectivos conhecimentos para obter novos insights sobre processos e estados termodinâmicos em uma plataforma óptica pequena e fácil de operar."