Por que grandes bolhas de gás em líquidos viscoelásticos (como soluções de polímeros e proteínas) aumentam muito mais rápido do que o esperado? Uma questão em aberto com grande relevância para os processos de produção industrial. Pesquisadores da TU Graz e TU Darmstadt encontraram agora uma explicação.
É um quebra-cabeça há muito conhecido entre os especialistas e muito relevante em muitos processos de produção industrial:um salto descontinuidade na velocidade de ascensão das bolhas de gás nos chamados fluidos viscoelásticos. Fluidos viscoelásticos são substâncias que combinam características de substâncias líquidas e elásticas. Muitos shampoos capilares são um exemplo disso. Se você virar um frasco transparente de xampu quase completamente cheio de cabeça para baixo, verá o ar fechado subindo como uma bolha em uma forma incomum. Em muitos processos industriais, esses líquidos ocorrem como soluções de polímeros e muitas vezes precisam ser enriquecidos com oxigênio por gaseificação. "Sabemos há cerca de 60 anos que a velocidade de ascensão das bolhas de gás em líquidos viscoelásticos sofre um salto em um diâmetro de bolha crítico. A velocidade das bolhas pode então repentinamente se tornar dez vezes mais rápida. Isso desempenha um papel fundamental no controle controlado Ao mesmo tempo, não estava claro o que estava causando esse aumento repentino na velocidade", explica Günter Brenn, do Instituto de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor da TU Graz.

Com uma combinação de simulação, experimento e análise teórica, as equipes de Günter Brenn na TU Graz e Dieter Bothe na TU Darmstadt agora resolveram o quebra-cabeça juntos. Eles descobriram que a interação das moléculas do polímero com o fluxo ao redor das bolhas de gás leva ao comportamento estranho da velocidade das bolhas. Com esse conhecimento, a entrada de oxigênio nessas soluções agora pode ser prevista com mais precisão, o que significa que equipamentos em biotecnologia, engenharia de processos e indústria farmacêutica, por exemplo, podem ser mais bem projetados. Os pesquisadores atualmente explicam suas descobertas no Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

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Estado 'Relaxado' preferido

Os polímeros geralmente consistem em moléculas enormes que interagem de maneira complexa com o líquido em que estão dissolvidos. Essa interação torna um líquido viscoelástico. O que causa o salto na velocidade que as bolhas de gás exibem nesses líquidos a partir do diâmetro crítico? Günter Brenn explica as últimas descobertas:"O fluxo ao redor da bolha faz com que as moléculas de polímero dissolvidas se estiquem. As moléculas não gostam particularmente desse estado. Elas querem retornar ao estado relaxado e não esticado o mais rápido possível". Se esse retorno ao estado relaxado for mais rápido que o transporte das moléculas para o equador da bolha, então a bolha permanece lenta. Se, por outro lado, o retorno ao estado relaxado demorar mais do que a viagem até o equador das bolhas, então uma tensão é liberada no fluido que "empurra" a bolha. Isso leva a uma auto-amplificação, uma vez que as moléculas subsequentes do polímero se posicionam abaixo do equador e relaxam, descarregando sua energia elástica, liberando uma "força propulsora".

Além da alta relevância prática desse achado, especialmente para as áreas de aplicação acima mencionadas, também há consequências na pesquisa básica. "Aconteceu que outra propriedade surpreendente do campo de fluxo dessas soluções pode ser atribuída a esse mecanismo molecular que mostramos:a chamada 'escalada negativa' da bolha de gás", diz Dieter Bothe, do grupo de trabalho Analysis da Departamento de Matemática da TU Darmstadt. Esta é uma área no campo de fluxo abaixo da bolha onde o fluido normalmente "segue" a bolha a uma velocidade baixa. Com os líquidos poliméricos, porém, é o contrário:ali, o movimento do líquido é orientado na direção oposta ao movimento da bolha. Esse movimento fluido é causado pela mesma tensão que "empurra" a bolha. Esse entendimento pode levar a possibilidades de controle de processos de fluxo.