Em uma descoberta surpreendente que pode transformar a mecânica dos fluidos, pesquisadores da Universidade Drexel demonstraram que, sob certas condições, um líquido simples pode se comportar como um sólido e se romper. O estudo, publicado na Physical Review Letters, mostra que líquidos viscosos podem estourar de maneira abrupta quando esticados com força suficiente.
Essa descoberta sugere que a viscosidade, ou a resistência de um líquido ao fluxo, desempenha um papel muito maior em seu comportamento mecânico do que os cientistas acreditavam anteriormente. Ela também abre portas para novas maneiras de controlar líquidos em aplicações que vão desde a hidráulica e impressão 3D até o fluxo sanguíneo no corpo.
“Nossos achados mostram que, se puxados com força suficiente por área, um líquido simples – um líquido que flui – atingirá o que chamamos de ponto de ‘estresse crítico’, quando realmente se romperá como um sólido. E isso provavelmente é verdadeiro para todos os líquidos simples, incluindo exemplos comuns, como água e óleo”, disse Thamires Lima, PhD, professora assistente de pesquisa na Faculdade de Engenharia da Drexel, que ajudou a liderar a pesquisa. “Isso muda fundamentalmente nossa compreensão da dinâmica dos fluidos.”
Um Estalo Surpreendente Durante os Testes
A descoberta aconteceu de forma inesperada enquanto Lima e sua equipe estudavam dois líquidos simples em colaboração com a ExxonMobil Technology & Engineering Company. Durante um teste de reologia extensional – que mede quanto esforço é necessário para fazer um líquido fluir – os pesquisadores observaram algo incomum. Em vez de esticar e afinar como mel, os líquidos semelhantes a alcatrão se romperam repentinamente.
“O que observamos foi tão inesperado que precisávamos repetir os experimentos algumas vezes para ter certeza de que era real”, disse Nicolas Alvarez, PhD, professor na Faculdade de Engenharia, cujo laboratório liderou a pesquisa. “Uma vez que confirmamos o fenômeno, a pesquisa se tornou uma empreitada científica completamente diferente.”
Usando uma câmera de alta velocidade, a equipe capturou um comportamento normalmente observado em materiais sólidos. Quando esticados, os sólidos se alongam até atingirem um ponto de estresse crítico, então quebram repentinamente em um processo conhecido como fratura frágil. Segundo os pesquisadores, esse tipo de fratura nunca havia sido observado em um líquido simples.
“Foi uma coisa incrivelmente surpreendente de se ver,” disse Lima. “A fratura causou um barulho muito alto que realmente me assustou. Eu pensei a princípio que a máquina tinha quebrado, mas logo percebi que o ruído vinha do líquido que estava sendo esticado.”
Viscosidade e o Ponto Crítico de Ruptura
Os primeiros líquidos a apresentar esse comportamento foram misturas de hidrocarbonetos semelhantes a alcatrão, que se romperam a um estresse crítico de 2 megaPascal – aproximadamente a força que você sentiria se uma bolsa de lavanderia cheia de 10 tijolos pegasse na sua unha ao cair.
Para explorar mais, os pesquisadores testaram outro líquido simples, oligômero de estireno, com a mesma viscosidade. Ele se rompeu sob as mesmas condições de estiramento, indicando que a viscosidade é um fator fundamental nesse comportamento de ruptura semelhante ao dos sólidos e sugerindo que muitos líquidos simples podem ter um ponto de ruptura semelhante.
A equipe então ajustou a temperatura para alterar a viscosidade. Em cada nível, eles encontraram uma taxa específica de estiramento que provocava a fratura, sempre ligada ao mesmo estresse crítico de 2 megaPascal. Em viscosidades mais baixas, os líquidos não puderam ser rompidos porque o equipamento de teste não conseguiu esticá-los rápido o suficiente.
Desafiando Assunções Há Muito Estabelecidas
Até agora, a fratura era considerada uma propriedade da elasticidade, que é a capacidade de um material de armazenar e suportar estresse. No entanto, líquidos simples não armazenam estresse dessa maneira. Em vez disso, eles fluem quando a força é aplicada, ao invés de se curvarem ou se quebrarem.
Na maioria dos casos, a elasticidade só se torna relevante quando um líquido é resfriado abaixo de sua “transição vítrea”, o ponto em que ele começa a se comportar mais como um sólido. Observar fraturas em líquidos que ainda estão completamente em seu estado líquido demonstra que a ruptura não é limitada a materiais elásticos.
“Embora líquidos viscoelásticos e poliméricos – como Oobleck ou slime caseiro – tenham mostrado comportamento de fratura semelhante a sólidos, líquidos simples sempre foram considerados capazes de deformação contínua a temperaturas acima de sua transição vítrea e, portanto, não se romperiam,” disse Lima. “Mostrar que os efeitos viscosos são suficientes para promover esse comportamento de fratura semelhante ao de sólidos abre um mundo de novas questões para explorar nesta área de investigação científica.”
Um Fenômeno Amplo e Inesperado
Os pesquisadores também compararam um líquido simples, oligômero de estireno, com um líquido polimérico relacionado. Ambos se romperam no mesmo ponto de estresse crítico, sugerindo que a elasticidade não é responsável pelo comportamento de fratura em líquidos simples.
“Isso sugere que muitos outros líquidos elásticos também podem se romper em um ponto de estresse crítico relativamente semelhante,” disse Lima. “Isso aponta para um fenômeno que é relativamente independente da química e possivelmente generalizável para uma ampla gama de líquidos.”
O Que Faz os Líquidos Se Romperem
A equipe planeja continuar investigando por que isso acontece e quão disseminado o efeito pode ser. Evidências iniciais apontam para a cavitação – um processo em que pequenas bolhas de vapor se formam e colapsam rapidamente, gerando ondas de choque dentro do líquido – como uma possível explicação.
“Agora que reportamos esse comportamento inesperado, o trabalho de entender completamente por que isso acontece e como o comportamento se manifesta em outros líquidos 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 líquidos viscosos.”
