Acontece fora de sua janela sempre que chove:o solo fica molhado e pode formar lama pegajosa. Em seguida, ele seca. Mais tarde, pode chover novamente. Cada molhamento e reumedecimento afeta a estrutura e a estabilidade do solo. Essas mudanças são levadas em consideração quando, por exemplo, arquitetos e engenheiros projetam, local, e construir edifícios. Mas de forma mais ampla, a ciência de como as partículas se unem e se separam toca campos tão diversos quanto perigos naturais, fertilização da colheita, produção de cimento, e design farmacêutico.

Unindo esses campos díspares, uma equipe da Universidade da Pensilvânia descobriu que quando as partículas são úmidas e depois secam, o tamanho dessas partículas tem muito a ver com a força com que elas se unem - e se ficarão juntas ou se desintegrarão na próxima vez que forem molhadas.

O que dá força a esses agregados pegajosos, a equipe encontrou, são pontes finas formadas quando as partículas do material são suspensas em um líquido e depois deixadas para secar, deixando filamentos finos de partículas que conectam aglomerados maiores. Os fios, que os pesquisadores chamam de pontes sólidas, aumentar a estabilidade dos agregados de 10 a 100 vezes.

Os pesquisadores relataram suas descobertas no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Este fenômeno de ligação sólida pode ser onipresente e importante para a compreensão da resistência e erodibilidade dos solos naturais, "diz Paulo Arratia, um engenheiro de mecânica dos fluidos na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn, e coautor do estudo.

"Descobrimos que o tamanho de uma partícula pode superar a contribuição de suas propriedades químicas quando se trata de determinar a força com que ela adere a outras partículas, "acrescenta Douglas Jerolmack, um geofísico na Escola de Artes e Ciências e o autor correspondente do artigo.

A equipe de pesquisa foi liderada por Ali Seiphoori, anteriormente um pós-doutorado no laboratório de Jerolmack e agora no MIT, e incluiu o pós-doutorado em física Xiao-guang Ma. O trabalho atual resultou de investigações que vinham realizando em conjunto com a Escola de Medicina Perelman da Penn sobre o amianto, especificamente como suas fibras semelhantes a agulhas se aderem umas às outras e a outros materiais para formar agregados. Isso os fez pensar de forma mais geral sobre o que determina a força e a estabilidade de um agregado.

O grupo fez uma abordagem experimental para responder a essa pergunta, criando um modelo simples de agregação de partículas. Eles suspenderam esferas de vidro de dois tamanhos, 3 mícrons e 20 mícrons, em uma gota d'água. (Para referência, um cabelo humano tem cerca de 50 a 100 mícrons de largura.) À medida que a água evaporou, as bordas da gota recuaram, arrastando as partículas para dentro. Eventualmente, a gota d'água encolhida se transformou em várias gotas menores conectadas por uma ponte de água fina, conhecida como ponte capilar, antes que também evaporasse.

A equipe descobriu que as pressões de sucção extremas causadas pela evaporação juntaram as pequenas partículas com tanta força que elas se fundiram nas pontes capilares, deixando para trás pontes sólidas entre as partículas maiores, para o qual eles também se ligaram, uma vez que a água evaporou completamente.

Quando a equipe molha as partículas novamente, aplicar água em um fluxo controlado, eles descobriram que agregados compostos exclusivamente de partículas de 20 mícrons eram muito mais fáceis de interromper e ressuspender do que aqueles compostos de partículas menores, ou misturas de partículas pequenas e maiores.

"Descobrimos que, se agregados compostos por apenas partículas maiores que 5 mícrons fossem reumedecidos, eles entraram em colapso, "Jerolmack diz." Mas abaixo de 5 mícrons, nada acontece, os agregados eram estáveis. "

Em outros testes com misturas de partículas de quatro tamanhos diferentes - imitando mais de perto a composição natural do solo - os pesquisadores descobriram o mesmo efeito de ligação ocorrendo em escalas diferentes:as partículas maiores foram ligadas pela segunda maior, que, por sua vez, foram superados pelo terceiro maior, os quais foram estabilizados por pontes das menores partículas. Mesmo as misturas que continham apenas uma pequena fração de partículas menores tornaram-se mais estáveis ​​graças à ligação sólida.

Muito mais estável? Descobrir, Seiphoori meticulosamente colou a sonda de um microscópio de força atômica em uma única partícula, deixe-o definir, e então quantificou a "força de tração" necessária para remover aquela partícula do agregado. Repetindo isso para partículas em agregados de partículas grandes e pequenas, eles descobriram que as partículas eram de 10 a 100 vezes mais difíceis de arrancar quando formavam uma estrutura de ponte sólida do que em outras configurações.

Para se convencer de que o mesmo seria verdade com materiais além de suas contas de vidro experimentais, eles realizaram experimentos semelhantes usando dois tipos de argila que são componentes comuns de solos naturais. Os princípios se mantinham:as partículas menores de argila e a presença de pontes sólidas tornavam os agregados estáveis. E o inverso também era verdadeiro:quando partículas de argila menores que 5 mícrons eram removidas das suspensões, seus agregados resultantes perderam coesão.

"Acredita-se que os solos argilosos sejam fundamentalmente coesos, "diz Jerolmack, "e essa coesão geralmente é atribuída à carga deles ou a alguma outra propriedade mineralógica. Mas descobrimos isso muito surpreendente que não parecem ser as propriedades fundamentais da argila que a tornam pegajosa, mas sim o fato de que as partículas de argila tendem a ser muito pequenas. É uma explicação totalmente nova para a coesão. "

Esses novos insights sobre a contribuição do tamanho de partícula para a estabilidade do agregado abrem novas possibilidades para considerar como aumentar a estabilidade de materiais como solo ou cimento, quando desejado. "Você pode imaginar a estabilização de solos antes de um projeto de construção, adicionando partículas menores que ajudam a unir o solo, "Jerolmack diz.

Além disso, a produção de uma variedade de materiais, de dispositivos médicos a revestimentos de tela de LED, depende da deposição de filme fino, que os pesquisadores dizem que pode se beneficiar da produção controlada de agregados que observaram em seus experimentos.