A eletricidade estática tem intrigado os cientistas há milhares de anos. Acima, os íons de água transportam carga entre dois materiais eletricamente isolantes. A malha azul representa o fluxo de carga que pode ser sentido como uma faísca. Crédito:Universidade de Princeton Arrastar os pés no tapete para acertar um amigo pode ser o truque mais antigo do livro, mas em um nível profundo essa pegadinha ainda confunde os cientistas, mesmo depois de milhares de anos de estudo.
Agora, os pesquisadores de Princeton deram nova vida à estática. Usando milhões de horas de tempo computacional para executar simulações detalhadas, os pesquisadores encontraram uma maneira de descrever a carga estática átomo por átomo com a matemática do calor e do trabalho. O artigo deles, "Forças motrizes termodinâmicas na eletrificação de contato entre materiais poliméricos", aparece na Nature Communications .
O estudo analisou especificamente como a carga se move entre materiais que não permitem o livre fluxo de elétrons, chamados de materiais isolantes, como vinil e acrílico. Os investigadores afirmam que não existe uma visão estabelecida sobre quais os mecanismos que provocam estes choques, apesar da omnipresença da estática:o estalido e o estalido das roupas retiradas de uma máquina de secar, embalando amendoins que se agarram a uma caixa.
“Sabemos que não são os elétrons”, disse Mike Webb, professor assistente de engenharia química e biológica, que liderou o estudo. "O que é?"
Webb se fez essa pergunta pela primeira vez quando era pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Chicago. Ele ficou intrigado com os colegas, perplexo com o fato de um fenômeno tão comum poder ser tão mal compreendido. Mas quanto mais olhavam, mais intransponíveis se tornavam as questões. “Parecia fora de alcance”, disse ele.
Estava fora de alcance desde que Tales de Mileto esfregou âmbar com pêlo pela primeira vez e observou o âmbar (em grego:elektron) acumular penas e poeira – 26 séculos atrás. Tales foi uma das primeiras pessoas a explicar a natureza através da razão e não de forças sobrenaturais. Ele desempenhou um papel crítico no desenvolvimento da filosofia e, eventualmente, da ciência. Apesar da profundidade e amplitude do conhecimento acumulado ao longo dos milénios subsequentes, apesar da miríade de tecnologias nascidas desse conhecimento, a ciência, durante todo esse tempo, nunca quebrou a estática. Talvez nunca acontecesse.
Em Princeton, Webb conversou com seu colega Sankaran Sundaresan, um importante especialista em engenharia de reações químicas especializado no fluxo de materiais em câmaras gasosas. Nesses ambientes, carregados de produtos químicos voláteis, uma faísca perdida pode ser mortal. Sundaresan trabalhou com carga estática durante décadas, usando dados experimentais confiáveis para prever, mas não compreender completamente, como a carga se movia nesses sistemas.
“Eu trato isso como uma caixa preta”, disse Sundaresan, professor de engenharia Norman John Sollenberger. "Fazemos algumas experiências e as experiências dizem-me:isto é o que acontece. Esta é a carga." Ele trabalha até o limite e anota cuidadosamente o que vê. O que acontece dentro da caixa preta permanece um mistério.
Uma coisa que você encontra, não importa para onde olhe, de acordo com Sundaresan, são vestígios de água. Moléculas de água carregadas estão por toda parte, em quase tudo, agarradas a praticamente todas as superfícies da Terra. Mesmo em condições extremamente áridas, sob calor intenso, os íons de água perdidos se acumulam em oásis microscópicos que abrigam carga elétrica.
Aliás, Thales é mais conhecido não pelo seu trabalho com eletricidade, mas por um projeto ainda maior. Ele propôs que toda a natureza era feita de água, que a água era a substância Ur, a substância essencial. Foi a primeira tentativa de uma teoria unificada de tudo. Aristóteles escreveu tudo.
Ao longo da carreira de Sundaresan, ele e seus colegas encolheram essa caixa preta para que os mistérios fossem cada vez mais profundos. Mas eles permanecem mistérios.
A conversa entre ele e Webb levou a uma compreensão mútua. Sundaresan tinha décadas de conhecimento sobre dados de reatores, e Webb poderia aplicar técnicas computacionais sofisticadas em escala atômica para observar esses íons de água da perspectiva da termodinâmica.
Quanta energia seria necessária para um íon de água viajar de uma superfície a outra? Talvez isso explicasse o que estava acontecendo dentro da caixa preta de Sundaresan. O quebra-cabeça não resolvido dos dias de pós-doutorado de Webb foi desvendado.
Ao modelar a relação entre moléculas de água carregadas e a quantidade de energia que essas moléculas têm disponível para impulsioná-las entre superfícies, Webb e o estudante Hang Zhang demonstraram uma aproximação matemática muito precisa de como a carga elétrica se move entre dois materiais isolantes.
Em outras palavras, eles usaram matemática para simular o movimento de cerca de 80 mil átomos. Essas simulações correspondiam às observações da vida real com um alto grau de precisão. Acontece que, com toda a probabilidade, o choque estático é uma função da água e, mais especificamente, da energia livre dos íons de água perdidos.
Com essa estrutura, Webb e Zhang revelaram as bases moleculares desses choques familiares em detalhes infinitesimais. Eles explodiram a caixa preta de Sundaresan. Se ao menos Tales pudesse ver.
