O mistério de 150 anos, que está por trás de um fenômeno natural – e até ajuda na construção de castelos de areia – foi solucionado por uma equipe de cientistas da Universidade de Manchester, liderada pelo Prêmio Nobel de Física Andre Geim.
Em laboratório, os pesquisadores revelaram como o microscópico processo de condensação capilar realmente funciona. O estudo, publicado na Nature, prova que o Lorde Kelvin – um dos grandes pioneiros da física – está certo e errado ao mesmo tempo.
“A condensação capilar, um fenômeno clássico, está ao nosso redor – e propriedades importantes como fricção, adesão, atrito, lubrificação e corrosão são fortemente afetadas, se não governadas, por ela”, explica Geim. “Este fenômeno é importante em muitos processos tecnológicos usados por microeletrônica, farmacêutica, alimentícia e outras indústrias – e até mesmo os castelos de areia não poderiam ser construídos se não fosse pela condensação capilar”, completa.
O vapor de água se condensa espontaneamente no ambiente, mesmo dentro de materiais porosos ou entre superfícies em contato. No caso do castelo de areia, a água serve como uma espécie de cola que mantém os grãos unidos, por meio dessas forças capilares. Essa é uma consequência observável desse fenômeno, mas ele também acontece quando as camadas de água são da espessura de poucas moléculas.
A primeira descrição macroscópica aproximada da condensação capilar foi proposta em 1871 pelo físico vitoriano Lorde Kelvin. Por década após década, a chamada ‘equação de Kelvin’ parecia funcionar razoavelmente bem em escala microscópica, apesar de nenhuma evidência científica para apoiá-la – até agora.
Para colocar Kelvin à prova, os pesquisadores criaram capilares artificiais, alguns com apenas um átomo de altura – os menores capilares possíveis – que podiam acomodar apenas uma camada de moléculas de água. A ideia era descobrir como um fenômeno fundamentalmente microscópico envolvendo algumas camadas moleculares de água, pode ser descrito razoavelmente bem usando equações macroscópicas e características macroscópicas da água em massa.
Os pesquisadores de Manchester montaram meticulosamente cristais atomicamente planos de mica e grafite. Eles colocaram dois desses cristais um em cima do outro com tiras estreitas de grafeno, com outro cristal entre eles. As tiras atuam como espaçadores e podem ter espessuras diferentes, que permitiram capilares de várias alturas – alguns deles com apenas um átomo.
Os experimentos mostraram que a equação de Kelvin pode descrever a condensação capilar mesmo nos menores capilares, pelo menos qualitativamente. Isso não é apenas surpreendente, mas contradiz as expectativas gerais, pois a água muda suas propriedades nessa escala e sua estrutura se torna distintamente discreta e em camadas.
“Isso foi uma grande surpresa. Eu esperava um colapso completo da física convencional”, afirma Qian Yang, principal autor do estudo da Nature. “A velha equação acabou funcionando bem. Um pouco decepcionante, mas também emocionante para finalmente resolver o mistério centenário”.
“A boa teoria geralmente funciona além de seus limites de aplicabilidade”, avalia Geim”. “Lorde Kelvin foi um cientista notável, fazendo muitas descobertas, mas até ele certamente ficaria surpreso ao descobrir que sua teoria – originalmente observada em tubos milimétricos – se mantém até na escala de um átomo. Na verdade, em seu artigo seminal Kelvin comentou exatamente sobre essa impossibilidade. Então, nosso trabalho provou que ele estava certo e errado, ao mesmo tempo”, completa o físico.
Via: ArtsTechnica
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