p Pesquisadores do Instituto de Física (IoP) da UvA e da Universidade de Leiden descobriram uma nova maneira de visualizar e medir o processo de nucleação responsável pela formação de gotículas de líquido no vapor. Suas descobertas, publicado esta semana em Cartas de revisão física , melhorar nossa compreensão dos processos em nanoescala subjacentes à nucleação de líquidos, e ajudar a desenvolver modelos mais precisos de nucleação em campos que vão da nanociência às ciências atmosféricas. p A nucleação é a etapa inicial na formação de um líquido a partir de sua fase de vapor. Pense na formação de nuvens que ocorre quando minúsculas gotículas de água se formam repentinamente do vapor de água que o ar carrega. Essas gotículas mínimas, que inicia o processo de condensação, são chamados de 'núcleos' - embora não devam ser confundidos com os núcleos de átomos individuais - e seu papel no início da formação do líquido é crucial para os processos atmosféricos, reações catalíticas e processamento industrial.

p Embora a nucleação tenha sido estudada por quase um século, as taxas de nucleação permanecem difíceis de prever:as propriedades dos pequenos núcleos em escala nanométrica que determinam crucialmente a nucleação, como sua tensão superficial, não são bem conhecidos e são de difícil acesso direto. A nova técnica de visualização usa partículas esféricas minúsculas para resolver esse problema.

p Mentos e Diet Coke

p O efeito da nucleação é bem conhecido na vida diária. Todos estão familiarizados com o súbito respingo de água ao abrir uma garrafa de água com gás depois que ela foi sacudida durante uma viagem ou transporte. O efeito pode ser dramaticamente acelerado no famoso experimento Diet Coke-Mentos. Um pedaço de doce Mentos adicionado a uma garrafa de Coca Diet leva a uma explosão da bebida.

p Este respingo vem da repentina nucleação de gás (dióxido de carbono) que é dissolvido na bebida em uma concentração que é "muito alta" - isto é, superior ao seu nível de saturação. Sob circunstâncias normais, nucleação limita o ritmo deste processo, pois requer a formação de pequenas bolhas de gás iniciais. Criar as superfícies dessas bolhas de gás no líquido custa energia:a chamada tensão superficial. Contudo, adicionar impurezas ou superfícies ásperas ao líquido reduz esta energia de nucleação substancialmente, acelerando assim o processo de nucleação dramaticamente.

p Esferas de tamanho micrométrico

p A nucleação não acontece apenas quando os gases se formam a partir de líquidos, mas também quando o processo oposto acontece, como na formação de nuvens. Os pesquisadores agora conseguiram visualizar diretamente esse processo inverso, a nucleação de um líquido a partir do vapor supersaturado. Em vez de um líquido normal, eles usaram um material de modelo feito de minúsculos, esferas de tamanho micrométrico suspensas em um solvente. Em analogia aos átomos, essas minúsculas partículas podem formar todos os estados da matéria - gás, líquidos e sólidos - e em muitos aspectos seu comportamento se assemelha muito ao dos átomos.

p Como as partículas são cerca de dez mil vezes maiores que os átomos, eles podem ser visualizados convenientemente em três dimensões, dando rico, visão direta dos processos em escala atômica nos estados da matéria, bem como as transições entre esses estados. Ao aumentar a atração entre as partículas, os pesquisadores foram capazes de condensá-los do estado gasoso ao líquido. Por outro lado, eles poderiam "evaporar" o estado líquido condensado de volta ao estado gasoso, diminuindo a atração. Observando esses processos em um microscópio, eles foram capazes de seguir o processo de nucleação em desenvolvimento com detalhes sem precedentes e conseguiram obter imagens tridimensionais de núcleos estáveis ​​iniciais, como mostrado na Figura 1. Os pesquisadores então monitoraram cuidadosamente as formas dos núcleos e, a partir da distribuição das formas, puderam medir sua tensão superficial, a quantidade crucial determinando a nucleação que estava inacessível aos experimentos até então.

p Controvérsia resolvida

p Essas medidas confirmam resultados anteriores obtidos por meio de simulações de computador:a tensão superficial diminui à medida que o núcleo se torna menor e sua superfície torna-se cada vez mais curva na escala atômica. A confirmação dos resultados da simulação em computador é importante, visto que esses resultados contradizem as previsões teóricas anteriores. A medição direta de núcleos líquidos agora resolve esta velha controvérsia, e ajuda a compreender e prever as taxas de nucleação. Além disso, medições recentes na Estação Espacial Internacional por alguns dos mesmos pesquisadores, publicado recentemente em Cartas Europhysics , mostraram que o processo de nucleação também pode se aplicar muito mais amplo do que se pensava anteriormente, além da transição gás-líquido regular, para a formação de grandes aglomerados de moléculas, como proteínas. Os resultados, portanto, fornecem uma visão crucial sobre a formação inicial de estados condensados ​​da matéria em campos que vão da nanociência à química e metrologia.