Sistemas granulares, como cascalho ou pós podem ser encontrados em todos os lugares, mas estudá-los não é fácil. Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram agora um método pelo qual fotos do interior de sistemas granulares podem ser tiradas dez mil vezes mais rápido do que antes.

Mesmo em nosso mundo moderno cheio de máquinas e dispositivos altamente tecnológicos, ainda é impossível prever quando as rochas desmoronam, como o recente em Graubünden, ou terremotos ocorrerão e como exatamente eles evoluem. Isso se deve em parte ao fato de que, apesar de muitos anos de pesquisa, os cientistas apenas começaram a entender o comportamento do cascalho e da areia, particularmente quando misturado com água ou gases.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Christoph Müller do Departamento de Engenharia Mecânica e de Processos da ETH Zurique e Klaas Prüssmann do Instituto de Engenharia Biomédica da ETH e da Universidade de Zurique, junto com colegas da Universidade de Osaka no Japão, agora desenvolveram uma nova técnica que pode tornar muito mais fácil estudar tais fenômenos no futuro. Muitos fenômenos naturais e catástrofes naturais poderiam, portanto, ser melhor compreendidos e previstos com mais facilidade.

Pós e grãos na indústria química

Os sistemas granulares - um termo genérico para qualquer coisa que se pareça com grãos ou pós - desempenham um papel fundamental não apenas na natureza. Eles são igualmente importantes em aplicações práticas, como a indústria química, onde três quartos das matérias-primas são substâncias granulares. Um problema frequente que a indústria química enfrenta é que os fluxos de produção podem ser interrompidos, por exemplo, por atolamento ou desmistura imprevistas e mal compreendidos dos materiais granulares usados.

“Mesmo um pequeno aumento na eficiência dos processos produtivos por meio do aprimoramento do conhecimento permitiria economizar muita energia”, explica Alexander Penn, aluna de doutorado no grupo de Müller e Prüssmann. Contudo, ao tentar entender o que acontece, por exemplo, quando diferentes partículas são misturadas ou feitas para interagir com gases nos chamados leitos fluidizados, se enfrenta um problema sério:os sistemas granulares são opacos, o que torna muito difícil aprender qualquer coisa sobre a distribuição espacial exata e o movimento das partículas.

A tecnologia médica auxilia os estudos de sistemas granulares

Para superar esse obstáculo, cientistas reintroduziram uma tecnologia na pesquisa de física que, hoje em dia, é usado principalmente na medicina:ressonância magnética (MRI), que é bem conhecido pelo tubo estreito que os pacientes precisam entrar para serem examinados. A ressonância magnética usa ondas de rádio e fortes campos magnéticos para primeiro alinhar os momentos magnéticos de certos núcleos atômicos dentro de um tecido ou material (eles podem ser visualizados como minúsculas agulhas de bússola).

Depois disso, os núcleos atômicos perdem seu alinhamento, e ao fazer isso, eles próprios emitem ondas de rádio que podem ser medidas. Finalmente, os resultados dessas medições são usados ​​para criar uma imagem tridimensional das posições dos núcleos atômicos no material. Em seus novos experimentos, publicado recentemente na revista científica Avanços da Ciência , os pesquisadores da ETH adicionaram várias antenas de rádio a um dispositivo comercial de ressonância magnética e analisaram as medições usando um software especial. Isso permitiu que medissem a dinâmica interna dos sistemas granulares dez mil vezes mais rápido do que antes.

Para aquele propósito, os cientistas desenvolveram partículas especiais que consistem em uma gota de óleo coberta com ágar medindo um milímetro de diâmetro que produziu um sinal de ressonância magnética particularmente grande e sustentado. Eles os usaram, entre outras coisas, para estudar o que acontece quando um gás flui através de sistemas granulares. O fluxo de gás faz com que o meio granular, que geralmente é sólido, para se comportar como um fluido. Em tais sistemas granulares "fluidizados", bolhas de gás podem subir, dividir ou mesclar.

Até agora, era impossível estudar essas bolhas em tempo real. A nova técnica de medição desenvolvida pelos cientistas de Zurique permite tirar fotos do interior da matéria granular com resolução temporal inferior a um centésimo de segundo. Além disso, uma análise inteligente dos sinais de ressonância magnética torna possível medir as velocidades das partículas individuais e, portanto, para obter informações adicionais sobre a dinâmica desses sistemas complexos.

Aplicações na captura de carbono

Existem inúmeras aplicações possíveis do conhecimento obtido com a nova técnica. Os pesquisadores estão planejando, por exemplo, para testar cuidadosamente os modelos teóricos existentes para sistemas granulares e, onde necessário, para melhorá-los. Entre os modelos a serem testados estão a desmistura espontânea de misturas granulares de partículas de diferentes tamanhos, o que pode levar a problemas em aplicações industriais, bem como o "bloqueio" espontâneo de sistemas em fluxo. Formação de bolhas em sistemas granulares expostos a fluxos de gás, por outro lado, é importante para procedimentos nos quais um gás deve reagir tão fortemente quanto possível com as partículas de catalisador. Esses procedimentos são usados, por exemplo, na captura de dióxido de carbono, que no futuro pode ser usado para neutralizar as mudanças climáticas. Uma melhor compreensão dos processos físicos envolvidos pode levar a uma maior eficiência e consideráveis ​​economias de energia.