Desvendando os segredos dos fluidos supercríticos:estudo oferece insights sobre um estado híbrido da matéria

Fluidos supercríticos são cruciais para entender planetas gigantes como Júpiter e Netuno, onde estados semelhantes da matéria podem reinar. Crédito:ILL

Um estudo agora publicado na Nature Communications traz insights notáveis sobre o comportamento enigmático dos fluidos supercríticos, um estado híbrido da matéria que ocupa um espaço único entre líquidos e gases e surge em domínios que vão da indústria farmacêutica à ciência planetária. Os resultados obtidos estão no limite das possibilidades experimentais atuais e só poderiam ser obtidos em uma fonte de nêutrons de alto fluxo como o Institut Laue-Langevin (ILL).

Uma substância líquida ou gasosa empurrada para além do seu ponto crítico (isto é, para além da temperatura e pressão nas quais a distinção entre líquido e gás já não pode ser feita) é chamada de fluido supercrítico. Ainda pouco conhecidos e desafiando as classificações convencionais, os fluidos supercríticos possuem a capacidade de efundir como um gás enquanto dissolvem materiais como um líquido.

Esta dualidade tornou-os inestimáveis numa infinidade de aplicações industriais, desde o processamento farmacêutico até à descafeinação de grãos de café. Por outro lado, são cruciais para compreender planetas gigantes como Júpiter e Netuno, onde podem reinar estados semelhantes da matéria.

Uma equipe internacional de pesquisadores da Universidade Sapienza (Roma, Itália), ILL (Grenoble, França), Ecole Polytechnique Federal (Lausanne, Suíça), CNRS (França) e CNR (Itália) obteve provas experimentais de que a difusão molecular em um superfluido muda de gás comportamento semelhante ao comportamento líquido através da chamada linha Widom (uma linha termodinâmica que estende a curva de vapor saturado acima do ponto crítico). A transição é gradual dentro de uma faixa estreita de pressão.

A equipe investigou a difusão de moléculas dentro de um fluido supercrítico – um parâmetro crucial que reflete a mobilidade das moléculas dentro do fluido – com uma questão fundamental em mente:podemos identificar uma região de pressão-temperatura onde o comportamento de um fluido supercrítico vai do gás -como líquido? Embora os modelos teóricos tenham proposto vários desses limites de transição (entre eles a linha Widom), a validação experimental permaneceu, até agora, ilusória.

Este resultado foi obtido através de experimentos desafiadores de espalhamento de nêutrons quase elásticos (QENS) de alta pressão em metano supercrítico conduzidos no ILL, em Grenoble. No ILL, os nêutrons são usados para explorar materiais e processos de todas as maneiras possíveis em uma ampla gama de domínios.

Neste estudo, um feixe de nêutrons foi enviado para uma célula contendo metano em condições supercríticas. A intensidade do feixe de nêutrons espalhado pela amostra foi medida em função da energia trocada na faixa de interesse (ou seja, na faixa de energia onde ocorrem os fenômenos de difusão molecular na matéria, o chamado regime quase elástico).

As medições ocorreram a temperatura constante T =200 K (acima do crítico T =190 K), variando a pressão do metano de alguns bares até pressões muito altas (chegando a quase 3 Kbar; a pressão crítica é P =45 bar). . Os experimentos foram conduzidos no instrumento ILL IN6-SHARP.

Os autores sublinham a evidência experimental surpreendentemente clara:"Embora a pressões inferiores a aproximadamente 50 bar seja observado o sinal da dinâmica de difusão típica dos sistemas gasosos, pudemos observar que à medida que a pressão aumenta acima disso, o sinal evolui progressivamente até assume a forma típica dos líquidos", explica o autor Alessio De Francesco (pesquisador do CNR e ILL).

O resultado foi possível graças à fonte de nêutrons de alto fluxo e às instalações únicas de apoio experimental disponíveis no ILL. “Estas medições estão no limite das possibilidades experimentais atuais e eram impensáveis até há poucos anos”, acrescenta Ferdinando Formisano (investigador do CNR e ILL).

“Como acontece frequentemente na investigação, abrir uma porta significa ver novos caminhos a explorar, e este objectivo só pode ser alcançado graças ao acesso a grandes instalações de investigação.”

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