Pesquisadores da Universidade de Tóquio relatam que a entropia estrutural de dois corpos é a chave para entender a dinâmica de líquidos super-resfriados cortados e também o mecanismo por trás do fenômeno de diluição por cisalhamento.

Líquidos super-resfriados

Os líquidos são o estado da matéria menos compreendido. Sendo intermediário entre gases e sólidos, seu comportamento é uma mistura imprevisível de ambos. Particularmente incomuns são os líquidos formadores de vidro, que podem ser resfriados abaixo de seu ponto de congelamento sem cristalizar. Esses líquidos super-resfriados se tornam viscosos com a diminuição da temperatura, e eventualmente se tornam sólidos vítreos (vidros) abaixo da temperatura de transição vítrea. Vemos esse tipo de comportamento no processo de sopragem de vidro.

Agora, em um artigo publicado em PNAS , dois pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio (IIS) revelaram novos insights sobre o comportamento de líquidos super-resfriados feitos para fluir por cisalhamento.

Líquidos super-resfriados cortados

Inicialmente, como um líquido super-resfriado é feito fluir por cisalhamento ("puxar"), sua viscosidade permanece inalterada. Mas à medida que o líquido flui mais rápido, a viscosidade começa surpreendentemente a diminuir e torna-se mais fácil para o líquido fluir (isto é, torna-se menos pegajoso). Este fenômeno é chamado de desbaste de cisalhamento, e é um processo industrialmente importante, como quando duas superfícies lubrificadas deslizam facilmente uma contra a outra. Apesar de décadas de pesquisa e grande esforço de muitos pesquisadores, o mecanismo por trás do desbaste de cisalhamento permanece desconhecido.

Os pesquisadores do IIS usaram simulações de computador de placa de vídeo (GPU) para simular vários líquidos super-resfriados de modelos de computador à medida que eram feitos para fluir por cisalhamento. O líquido super-resfriado cortado não apenas flui com mais facilidade; os arranjos das moléculas também são alterados com o aumento do fluxo (também chamada de estrutura do líquido). Esses fatos tornam os líquidos super-resfriados cortados difíceis de descrever usando teorias fundamentais. Em vez disso, os pesquisadores do IIS usaram a entropia para descrever a dinâmica do líquido super-resfriado com cisalhamento. Entropia é uma medida de quão ordenado é um sistema; um cristal tende a ser mais ordenado do que um líquido e, portanto, tem uma entropia mais baixa.

"Ao considerar o arranjo das moléculas sob cisalhamento, poderíamos conectar o comportamento de líquidos super-resfriados sob cisalhamento a um conceito fundamental da física, nomeadamente a entropia; ou mais especificamente, a entropia estrutural de dois corpos, "diz o co-autor Trond S. Ingebrigtsen." Além disso, como a entropia de dois corpos pode ser calculada facilmente em experimentos, nossos resultados podem ser verificados não apenas por simulações de computador. Tentativas anteriores de usar a entropia de dois corpos tiveram problemas, pois a mudança nos arranjos das moléculas sob cisalhamento, ou anisotropia estrutural, não foi levado em consideração. "

Como um líquido é feito para fluir mais rápido sob cisalhamento, o arranjo das moléculas deve se ajustar à nova situação, e induzir o que é chamado de anisotropia estrutural no líquido. Isso significa que, por exemplo, a estrutura medida em relação à direção do fluxo acabará sendo diferente e influencia as propriedades do sistema como um todo.

"Ao modificar a entropia de dois corpos para levar em consideração essas mudanças estruturais que ocorrem sob cisalhamento, fomos capazes de descrever a dinâmica de cisalhamento usando o comportamento do líquido sem cisalhamento. Descobrimos que a entropia de dois corpos calculada ao longo do chamado eixo extensional do fluxo foi a quantidade chave para descrever a dinâmica de cisalhamento. A entropia de dois corpos nas outras direções pode ser ignorada com segurança, "Ingebrigtsen diz." Intuitivamente, a estrutura ao longo da direção extensional é importante porque o fluxo de cisalhamento nesta direção abre para mais espaço e as moléculas podem escapar mais facilmente. "

As simulações de computador não descobriram todo o mecanismo por trás do desbaste de cisalhamento, mas descobrir a correlação da dinâmica de cisalhamento com a entropia estrutural de dois corpos forneceu novos insights sobre as mudanças estruturais relevantes para a compreensão do fenômeno do desbaste por cisalhamento.

"Ficamos muito satisfeitos que todos os nossos modelos de líquidos simulados deram resultados tão claros, uma vez que foram escolhidos para cobrir uma ampla gama de modelos de líquidos especialmente relevantes para experimentos, "o co-autor Hajime Tanaka explica." Agora, o desafio é entender com mais detalhes o mecanismo microscópico por trás dessas observações para entender completamente o mecanismo por trás do desbaste de cisalhamento. Continuamos muito positivos a esse respeito. "