A propriedade da água que permite a um inseto deslizar pela superfície de um lago ou mantém um clipe de papel cuidadosamente colocado flutuando no topo de um copo d'água é conhecida como tensão superficial. Compreender a tensão superficial da água é importante em uma ampla gama de aplicações, incluindo transferência de calor, dessalinização, e oceanografia. Embora muito se saiba sobre a tensão superficial da água doce, muito pouco se sabe sobre a tensão superficial da água do mar - até recentemente.

Em 2012, John Lienhard, o Professor Abdul Latif Jameel de Engenharia Hídrica e Mecânica, e o então estudante de graduação Kishor Nayar SM '14, Ph.D. '19 embarcou em um projeto de pesquisa para entender como a tensão superficial da água do mar muda com a temperatura e salinidade. Dois anos depois, eles publicaram suas descobertas no Journal of Physical and Chemical Reference Data. Esta Primavera, a Associação Internacional para as Propriedades de Água e Vapor (IAPWS) anunciou que considerou o trabalho de Lienhard e Nayar uma diretriz internacional.

De acordo com o IAPWS, A pesquisa de Lienhard e Nayar "apresenta uma correlação para a tensão superficial da água do mar em função da temperatura e salinidade." O anúncio da diretriz marcou a conclusão de oito anos de trabalho com dezenas de colaboradores do MIT e de todo o mundo.

"Este projeto surgiu do meu trabalho em dessalinização. Na dessalinização, você precisa saber sobre a tensão superficial da água, porque isso afeta como a água viaja através dos poros de uma membrana, "explica Lienhard, um especialista líder mundial em dessalinização - o processo pelo qual a água salgada é tratada para se tornar água doce potável.

Lienhard sugeriu que Nayar fizesse medições da tensão superficial da água do mar e comparasse os resultados com a tensão superficial da água pura. Como eles logo descobririam, obter dados confiáveis ​​da água salgada seria incrivelmente difícil.

"Pensamos originalmente que esses experimentos seriam muito simples de fazer, que terminaríamos em um ou dois meses. Mas quando começamos a pesquisar isso, percebemos que era um problema muito mais difícil de resolver, "diz Lienhard.

Desde o princípio, Nayar esperava obter dados precisos o suficiente para informar um padrão de propriedade. Isso exigiria que a incerteza nas medições fosse inferior a 1 por cento.

"Quando você fala sobre medidas de propriedade, você precisa ser o mais preciso possível, "explica Nayar. O primeiro obstáculo que ele teve de superar para atingir esse nível de precisão foi encontrar a instrumentação apropriada para fazer medições confiáveis ​​- algo que acabou não sendo uma tarefa fácil.

Medindo a tensão superficial

Para medir a tensão superficial da água, Lienhard e Nayar se juntaram a Gareth McKinley, professor de engenharia mecânica, e a então estudante de graduação Divya Panchanathan SM '15, Ph.D. '18. Eles começaram com um dispositivo conhecido como placa Wilhelmy, que encontra a tensão superficial baixando uma pequena placa de platina em um copo de água e medindo a força que a água exerce quando a placa é levantada.

Nayar e Panchanathan lutaram para medir a tensão superficial da água salgada em temperaturas mais altas. "O problema que sempre encontramos era quando a temperatura estava acima de 50 graus Celsius, a água do copo evaporou mais rápido do que poderíamos fazer as medições, "Nayar diz.

Nenhum instrumento permitiria que eles obtivessem os dados de que precisavam - então Nayar procurou a Loja de Hobby do MIT. Usando um torno, ele construiu uma tampa especial para o copo, a fim de manter o vapor dentro.

"A pequena tampa que Kishor construiu tinha portas cortadas com precisão que lhe permitiram colocar uma sonda de tensão superficial através da tampa sem deixar o vapor de água sair, "explica Lienhard.

Depois de progredir na obtenção de dados, a equipe sofreu um grande revés. Eles descobriram que escamas de sal pouco visíveis, que se formou em seu copo de teste ao longo do tempo, introduziram erros em suas medições. Para obter os valores mais precisos, eles decidiram usar copos novos para cada teste. Como resultado, Nayar teve de repetir nove meses de trabalho pouco antes do vencimento de sua tese de mestrado. Felizmente, uma vez que o problema principal foi identificado e resolvido, experimentos poderiam ser repetidos muito mais rápido.

Nayar conseguiu refazer os experimentos a tempo. A equipe mediu a tensão superficial na água do mar variando de temperatura ambiente a 90 graus Celsius e níveis de salinidade variando de água pura a quatro vezes a salinidade da água do oceano. Eles descobriram que a tensão superficial diminui em cerca de 20% à medida que a água passa da temperatura ambiente para a fervura. Enquanto isso, conforme a salinidade aumenta, a tensão superficial também aumenta. A equipe desvendou o mistério da tensão superficial da água do mar.

"Foi literalmente a coisa mais desafiadora do ponto de vista técnico que já fiz, "Nayar lembra.

Seus dados tiveram um desvio médio de 0,19 por cento, com um desvio máximo de apenas 0,6 por cento - bem dentro do limite de 1 por cento necessário para uma diretriz.

Da dissertação de mestrado à diretriz internacional

Três anos depois de concluir sua dissertação de mestrado, Nayar, até então um Ph.D. aluna, participou de uma reunião do IAPWS em Kyoto, Japão. O IAPWS é uma organização internacional sem fins lucrativos responsável por lançar padrões sobre as propriedades da água e do vapor. Lá, Nayar se reuniu com líderes no campo da tensão superficial da água que vinham lutando com os mesmos problemas que Nayar havia enfrentado. Esses contatos o apresentaram ao longo, processo rigoroso de declarar algo uma diretriz internacional.

O IAPWS havia publicado anteriormente normas sobre as propriedades do vapor desenvolvidas pelo falecido Joseph Henry Keenan, professor e ex-chefe do departamento de engenharia mecânica do MIT. Para se juntar a Keenan como autores de um padrão IAPWS, os dados da equipe precisavam ser verificados por medições realizadas por outros pesquisadores. Após três anos de trabalho com o IAPWS, o trabalho da equipe foi finalmente adotado como uma diretriz internacional.

Para Nayar, que se formou com seu Ph.D. no ano passado e agora é engenheiro sênior de água industrial / esgoto na empresa de consultoria de engenharia GHD, o anúncio das diretrizes fez com que os longos meses de coleta de dados valessem a pena. "Parecia que algo estava sendo concluído, "ele lembra.

As descobertas de que Nayar, Panchanathan, McKinley, e Lienhard relatou em 2014 são amplamente aplicáveis ​​a uma série de setores, de acordo com Lienhard. "É certamente relevante para o trabalho de dessalinização, mas também para problemas oceanográficos, como a dinâmica das ondas capilares, " ele explica.

Também ajuda a explicar como pequenas coisas - como um inseto ou um clipe de papel - podem flutuar na água do mar.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.