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Descoberta nova força fundamental que atua em fluidos

Capacidade de partículas em fluidos se aglutinarem e auto-organizarem espontaneamente espantou cientistas

(Vídeo: Robert Hunt/UNC-Chapel Hill/Divulgação)

Uma equipe de matemáticos da Universidade da Carolina do Norte e da Universidade Brown, nos Estados Unidos, descobriu um novo fenômeno que gera uma força fluídica capaz de mover e ligar partículas imersas em fluidos com diferentes camadas de densidade. A descoberta oferece uma alternativa às ideias atuais sobre como as partículas se acumulam em lagos e oceanos, além de poder levar a aplicações como a melhor localização de pontos biológicos importantes, melhorias na limpeza do meio-ambiente e até nos processos industriais de triagem e embalagem.

O modo como a matéria se assenta e se junta sob a gravitação em sistemas fluidos, como lagos e oceanos, é uma área ampla e importante de estudo científico, com várias implicações para a humanidade e para o planeta. Considere, por exemplo, a “neve marinha” — chuva de matéria orgânica que cai constantemente das águas superiores do mar em direção ao oceano profundo. A neve marinha rica em nutrientes não só é essencial para a cadeia alimentar global, como também suas acumulações no fundo do oceano representam o maior sumidouro de carbono da Terra e um dos componentes menos compreendidos do ciclo global do carbono. Além disso, há também a crescente preocupação com o acúmulo de microplásticos nos giros oceânicos.

O acúmulo de partículas nos oceanos é entendido, no geral, como o resultado de colisões e adesões. Mas existe um fenômeno completamente diferente e inesperado em colunas de água, de acordo com um artigo publicado em 20 de dezembro na revista Nature Communications por uma equipe liderada pelos professores Richard McLaughlin e Roberto Camassa, do Centro de Matemática Aplicada Interdisciplinar da Universidade da Carolina do Norte.

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No artigo, os pesquisadores demonstram que partículas suspensas em fluidos com diferentes camadas de densidade (como água do mar e suas várias camadas de salinidade), exibem dois comportamentos não conhecidos anteriormente. Primeiro, as partículas se auto-organizam sem atração eletrostática ou magnética ou, no caso de microrganismos, sem dispositivos de propulsão, como flagelos ou cílios batendo. Segundo, elas se aglomeram sem a necessidade de adesão ou outras forças de união. Quanto maior o aglomerado, mais forte a força atrativa.

Assim como muitas outras descobertas, essa começou acidentalmente há alguns anos, durante uma demonstração para visitantes do Laboratório Conjunto de Matemática Aplicada e Ciências Marinhas, administrado por Camassa e McLaughlin. A dupla, há muito tempo fascinada por fluidos estratificados, pretendia mostrar um truque conhecido — como esferas despejadas em um tanque de água salgada “saltam” em direção ao fundo do recipiente, desde que o fluido seja estratificado uniformemente por densidade. Mas o estudante de pós-graduação responsável pelo experimento cometeu um erro ao configurar a densidade do fluido inferior. As esferas afundaram até e depois ficaram lá, submersas mas sem atingir o fundo.

“E então eu tomei o que acabou sendo uma boa decisão: não limpei a bagunça na hora”, diz McLaughlin. “Vá para casa”, ele disse ao estudante, “nós resolvemos isso mais tarde.” Na manhã seguinte, as bolas ainda estavam suspensas no líquido, mas haviam começado a se agrupar sem motivo aparente.

Os pesquisadores eventualmente descobriram o motivo, embora tenham levado mais de dois anos de estudos experimentais e muita matemática.

Você pode ver o fenômeno em ação em um vídeo produzido pelos pesquisadores (no começo deste texto). Micropérolas de plástico jogadas em um recipiente de água salgada misturada com água doce (que é menos densa) são puxadas para baixo pela força da gravidade e empurradas para cima pela flutuabilidade. Enquanto ficam suspensas, a interação entre flutuabilidade e difusão — que age para equilibrar o gradiente de concentração do sal — cria fluxos ao redor das microesferas, fazendo com que elas se movam lentamente. Em vez de se moverem aleatoriamente, eles se juntam, resolvendo seus próprios problemas. À medida que os aglomerados crescem, a força aumenta.

“É quase como se tivéssemos descoberto realmente uma nova força”, diz Camassa.

A descoberta desse mecanismo teórico anteriormente desconhecido abre portas para o entendimento da organização  da matéria no ambiente. Em corpos d’água altamente estratificados, como em estuários e no oceano profundo, a capacidade de entender matematicamente o fenômeno pode permitir que os cientistas modelem e prevejam a localização de pontos biológicos, como áreas de alimentação para peixes comerciais ou de espécies ameaçadas. O poder do fenômeno também pode levar a maneiras melhores de localizar microplásticos no oceano, ou mesmo petróleo em casos de derramamentos de óleo no fundo do mar. Ou, em uma versão em escala industrial do experimento do Laboratório de Fluidos, o mecanismo pode ser usado para classificar materiais de diferentes densidades, como, por exemplo, cores diferentes de vidro reciclável triturado.

“Trabalhamos há anos com sistemas estratificados, normalmente observando como as coisas passam por eles”, diz McLaughlin. “Esta é uma das coisas mais emocionantes que encontrei na minha carreira.”

Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill