Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 07/04/2025

Contestando a termodinmica

Anthony Raykh, um estudante de graduao da Universidade de Massachusetts, nos EUA, fez uma descoberta que no apenas marcar sua carreira, mas tambm entrar para os anais da cincia: Ele descobriu uma exceo s leis da termodinmica.

E a descoberta envolve a termodinmica clssica, aquela que descreve as trocas de energia nos sistemas fsicos, qumicos e biolgicos, o que fundamental para diversas reas da cincia e da engenharia, como o desenvolvimento de motores, refrigerao, produo de energia e reaes qumicas – o maior interesse atualmente est no outro lado do espectro, na tentativa de unificao da termodinmica com a teoria quntica, alm da conexo entre a termodinmica e a computao.

Ao fazer experimentos envolvendo a mistura de fluidos, Raykh descobriu o que ele batizou de “lquido com recuperao de forma”, uma mistura inusitada que desafia tudo o que seria de se esperar com base nas leis da termodinmica.

“Imagine seu molho de salada italiano favorito. Ele feito de leo, gua e temperos, e antes de voc despej-lo na sua salada, voc o agita para que todos os ingredientes se misturem,” exemplifica o professor Thomas Russell, coordenador do estudo. So esses temperos, esses pequenos pedaos de outra coisa, que permitem que gua e leo, que normalmente so imiscveis, se misturem, um processo chamado emulsificao e que descrito pelas leis da termodinmica.

Embora Raykh no estivesse preparando molhos de salada, ele usou o mesmo princpio para tentar misturar leo, gua e partculas magnetizadas. A surpresa veio quando a emulso resultante se comportou do modo totalmente anmalo, um modo que no obedece s leis da termodinmica.

As partculas fortemente magnetizadas “curvam” as leis da termodinmica.
[Imagem: Anthony Raykh/UMass Amherst]

Emulso magntica

possvel produzir materiais com propriedades muito interessantes usando partculas magnticas, de ms lquidos e novos sensores de campos magnticos at nanotecnologias para lidar com derramamentos de petrleo.

A surpresa veio quando os pesquisadores decidiram usar partculas magnetizadas de nquel. “Em uma surpresa completa, a mistura formou esta bela e imaculada forma de urna. No importa quantas vezes ou quo forte ela fosse sacudida, a forma de urna sempre retornava. Eu pensei ‘o que isso?’ Ento, eu andei para cima e para baixo pelos corredores [da universidade] batendo nas portas dos meus professores, perguntando se eles sabiam o que estava acontecendo,” contou Raykh.

Uma emulso ilustra aspectos importantes das leis da termodinmica, especialmente em relao segunda lei e aos conceitos de energia livre e entropia. No molho de salada, por exemplo, um aporte externo de energia faz os ingredientes se agruparem, uma organizao que, embora no seja a mais estvel, possui uma certa estrutura. Deixado em repouso, porm, haver um aumento da desordem, com o sistema tendendo a uma condio mais estvel termodinamicamente, com as molculas de leo e gua tendendo a se separar novamente. Ou seja, a instabilidade de uma emulso ilustra a segunda lei da termodinmica, mostrando a tendncia natural dos sistemas isolados a evolurem para estados de maior entropia.

O problema que a emulso magntica de Raykh produz um formato curioso e inusitado e que, mais importante, estvel.

A equipe pretende descobrir se diferentes intensidades do magnetismo produziro interfaces com formatos diferentes.
[Imagem: Anthony Raykh et al. – 10.1038/s41567-025-02865-1]

Tenso na interface

Como nenhum professor encontrou uma explicao, eles formaram uma equipe e comearam a fazer simulaes para tentar entender e explicar o fenmeno. E a explicao est justamente no magnetismo.

“Quando voc olha bem de perto as nanopartculas individuais de nquel magnetizado que formam a fronteira entre a gua e o leo, voc pode obter informaes extremamente detalhadas sobre como diferentes formas se montam,” explica o professor David Hoagland. “Neste caso, as partculas so magnetizadas fortemente o suficiente para que sua montagem interfira no processo de emulsificao, que as leis da termodinmica descrevem.”

Normalmente, partculas adicionadas a uma mistura de leo e gua diminuem a tenso na interface entre os dois lquidos, permitindo que eles se misturem. Mas, e esta a grande novidade, partculas que so magnetizadas com intensidade suficiente agem de modo oposto, aumentando a tenso interfacial, curvando suavemente a fronteira entre o leo e a gua, o que explica o formato observado por Raykh.

Embora ainda no vislumbre nenhuma aplicao para sua descoberta, Raykh est animado para descobrir como esse estado nunca antes visto pode influenciar o emergente campo da fsica da matria mole, que j envolve de sensores e materiais de aplicao biomdica at os robs macios.

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