A água congelada pode assumir até três formas ao mesmo tempo quando derrete:líquida, gelo e gás. Este princípio, que afirma que muitas substâncias podem ocorrer em até três fases simultaneamente, foi explicado 150 anos atrás pela regra de fase de Gibbs. Hoje, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven e da Universidade Paris-Saclay estão desafiando essa teoria clássica, com prova de equilíbrio de cinco fases, algo que muitos estudiosos consideraram impossível. Este novo conhecimento produz insights úteis para as indústrias que trabalham com misturas complexas, como na produção de maionese, tinta ou LCDs. Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista Cartas de revisão física .

O fundador da termodinâmica e físico-química contemporâneas é o físico americano Josiah Willard Gibbs. Na década de 1870, ele derivou a regra de fase, que descreve o número máximo de fases diferentes que uma substância ou mistura de substâncias pode assumir simultaneamente. Para substâncias puras, a regra de fase de Gibbs prevê um máximo de três fases.

Professor Remco Tuinier, do Instituto de Sistemas Moleculares Complexos, diz, "No momento, Einstein considerou a termodinâmica de Gibbs a única teoria em que ele realmente confiava. Se tomarmos a água como exemplo, há um ponto, com uma temperatura e pressão específicas, onde a água ocorre como gás, líquido e gelo ao mesmo tempo, o chamado ponto triplo. "

Professor assistente Mark Vis, do mesmo grupo de pesquisa de Tuinier, diz, "Esta regra de fase de Gibbs clássica é sólida como uma rocha e nunca foi desafiada."

ASSUNTOS DE FORMA

De acordo com esta regra de fase, a mistura estudada pelos pesquisadores também exibiria no máximo três fases em um ponto específico ao mesmo tempo. Mas Tuinier e seus colegas agora mostram que, nesta mistura, há toda uma série de circunstâncias nas quais quatro fases existem ao mesmo tempo. Existe até um ponto em que existem cinco fases coexistentes - duas a mais, de acordo com Gibbs. Nesse ponto específico, também chamado de equilíbrio de cinco fases, uma fase gasosa, duas fases de cristal líquido, e duas fases sólidas com cristais "comuns" existem simultaneamente. E isso nunca foi visto antes. "Esta é a primeira vez que a famosa regra de Gibbs foi quebrada, "Vis diz.

O ponto crucial está na forma das partículas da mistura. Gibbs não levou isso em consideração, mas os cientistas de Eindhoven agora mostram que são precisamente o comprimento e o diâmetro específicos das partículas que desempenham um papel importante. Tuinier diz, “Além das variáveis ​​conhecidas de temperatura e pressão, você obtém duas variáveis ​​adicionais:o comprimento da partícula em relação ao seu diâmetro, e o diâmetro da partícula em relação ao diâmetro de outras partículas na solução. "

Varas classificadas

Em seus modelos teóricos, os pesquisadores trabalharam com uma mistura de duas substâncias em um solvente de fundo:bastonetes e polímeros. Isso também é chamado de sistema coloidal, em que as partículas são sólidas e o meio é líquido. Como as partículas não podem ocupar exatamente o mesmo espaço, eles interagem uns com os outros. "Isso também é chamado de efeito de volume excluído; faz com que as hastes queiram ficar juntas. Elas são, por assim dizer, empurrados um em direção ao outro pelas cadeias de polímero. Desta maneira, você obtém uma região na mistura que contém principalmente hastes, e uma área rica em polímeros, "explica Tuinier." As hastes então afundam, porque geralmente são mais pesados. Esse é o começo da segregação, criando fases. "

A parte inferior, que contém principalmente hastes, eventualmente ficará tão lotado que as hastes irão interferir umas nas outras. Eles então assumem uma posição preferencial, de modo que eles estão menos no caminho um do outro.

As hastes estão dispostas em uma disposição ordenada, uma ao lado da outra. Eventualmente, eles exibem cinco fases diferentes:uma fase gasosa com hastes não alinhadas no topo (uma fase isotrópica), uma fase líquida com hastes apontando aproximadamente na mesma direção (cristal líquido nemático), uma fase líquida com hastes em camadas diferentes (cristal líquido esmético), e duas fases sólidas na parte inferior.

Maionese e monitores

Vis:"Nossa pesquisa contribui para o conhecimento fundamental sobre esse tipo de transição de fase e ajuda a compreender e prever com mais precisão quando esses tipos de transição ocorrem." A descoberta é útil em muitas áreas. Pense em bombear misturas complexas em reatores industriais, fazer produtos complexos, como misturas coloidais, como maionese e tintas, ou gelo que se forma nas janelas dos carros e gelo preto nas estradas.

Mesmo em cristais líquidos em monitores, esses processos desempenham um papel. "A maioria das indústrias opta por trabalhar com um sistema monofásico, onde não há segregação. Mas se as transições exatas forem claramente descritas, então, a indústria pode realmente usar essas diferentes fases em vez de evitá-las, "diz Vis.

Foi mais ou menos casual que os pesquisadores chegaram a um equilíbrio de mais de três fases. Ao simular e programar partículas e polímeros em forma de placa, Ph.D. os alunos Álvaro González García e Vincent Peters do grupo de Tuinier viram um equilíbrio de quatro fases. Tuinier diz, “O Álvaro veio ter comigo um dia e perguntou-me o que tinha corrido mal. Porque quatro fases simplesmente não podiam estar certas”.

Em seguida, os pesquisadores experimentaram várias formas, como cubos e também hastes. Tuinier diz, "Com as varas, a maioria das fases acabou sendo possível, chegamos até a encontrar um equilíbrio de cinco fases. Isso também pode significar que equilíbrios ainda mais complicados são possíveis, contanto que você procure por tempo suficiente para diferentes formas de partículas complexas. "