A física das bolhas de sabão geladas é mais fria do que se pensa

Se houver algo mais fascinante do que redemoinhos iridescentes a dançar através de uma bolha de sabão, é a visão de estrelas geladas a rodopiar à volta dessa bolha enquanto ela congela.

Então, quando um vídeo do YouTube de um congelamento de uma bolha fez o seu caminho para o engenheiro mecânico Jonathan Boreyko e a sua equipa na Virginia Tech, eles não estavam apenas surpreendidos. Eles queriam compreender a física por detrás da espantosa exibição de cristais de gelo rodopiantes.

“Muitas coisas na investigação são mais motivadas por um desejo de verdade ou beleza”, diz Boreyko, “como apenas tentar compreender uma coisa nova e misteriosa.”

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O estudo da equipa, publicado no mês passado na revista Nature Communications, revela a física do “efeito globo de neve”, um fenómeno que faz flutuar centenas de minúsculos cristais de gelo através da superfície de uma bolha e congelar simultaneamente numa exibição caprichosa.

O que Boreyko e a sua equipa se propuseram a determinar foi de onde vieram as centenas de pequenos cristais de gelo no efeito globo de neve. Normalmente, quando uma quantidade relativamente pequena de um líquido congela como quando a água se transforma num cubo de gelo – o processo de congelação começa a partir de um único ponto de origem. Esse ponto cria uma fronteira em expansão entre o líquido congelado e o não congelado, chamada frente de congelação. À medida que a frente de congelação se expande para fora, arrefece o líquido restante, levando-o a mudar de fase e a tornar-se gelo.

Mas em bolhas, Boreyko e a sua equipa repararam, este processo pode ser diferente. Quando os investigadores congelaram algumas bolhas num congelador e tiraram fotografias e vídeos das mesmas, viram o que pareciam centenas de frentes de congelação a flutuar simultaneamente através das superfícies das bolhas.

Para olhar mais de perto para a física por detrás das múltiplas frentes de congelação, a equipa desenvolveu um modelo matemático para simular o congelamento das bolhas. A modelagem, diz Boreyko, foi a parte mais difícil. “Uma vez feitas todas as experiências, demorou mais de um ano a modelar completamente e a compreender a física por detrás das coisas que estávamos a ver”, diz ele.

O que a equipa descobriu segue o processo fundamental do congelamento em si: No momento em que um líquido congela, fica ligeiramente mais quente. Isto porque à medida que as moléculas de um líquido se reorganizam e se fundem num sólido, o excesso de energia é libertado sob a forma de calor, chamado calor latente.

Quando uma bolha está num ambiente de congelação e aterra numa superfície fria, a primeira coisa a congelar é o fundo da bolha. À medida que esta frente gelada se expande, liberta calor latente para a superfície líquida adjacente da bolha. Isto aquece a água na borda da frente de congelação de forma tão ligeira e faz com que esta flua em direcção ao topo da bolha.

À medida que mais calor latente é libertado, o fluxo de água torna-se mais forte. Isto coloca tensão na frente de congelamento e faz com que cristais de gelo extremamente minúsculos se partam e deslizem através da superfície da bolha. Estes cristais começam então a crescer simultaneamente, dando a impressão de que existem múltiplas frentes de congelamento a formarem-se ao mesmo tempo.

“Na realidade, é apenas uma frente de congelamento”, diz Boreyko, acrescentando que a superfície fria fornece um ponto de origem para iniciar o crescimento de cristais de gelo.

“Na verdade, este artigo não tratava de gelo. Era mais sobre o fluxo líquido”, diz Kenneth Libbrecht, um físico da Caltech especializado em cristais de gelo e formação de flocos de neve que não estava envolvido no estudo. A descoberta única do estudo, diz ele, é que o congelamento cria fluxos líquidos na superfície de bolhas que criam um ciclo de feedback, o que melhora o próprio processo de congelamento.

Esta nova compreensão do efeito globo de neve poderia um dia ajudar os especialistas a conceber melhores formas de congelar coisas, incluindo material biológico como tecido humano.

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A progressão do “efeito globo de neve” em três imagens. Crédito da imagem: Farzad Ahmadi e Christian Kingett

Conteúdo, o congelamento a baixa temperatura de tecido humano, chamado criónica, limita-se principalmente ao congelamento de pequenas amostras de tecido ou de células únicas, diz Steven Van Sciver, um professor que estuda criogenia e criónica na Florida State University que não esteve envolvido no estudo. Amostras maiores, tais como órgãos completos, diz ele, ficam danificadas durante o processo de congelamento e descongelamento.

“A maior parte do que se vê em Star Wars e Star Trek e Hollywood são coisas como congelar pessoas e ressuscitá-las”, diz Van Sciver. “E a maior parte é um embuste”

mas, para os investigadores que procuram melhores formas de congelar as coisas, as bolhas apresentam uma oportunidade única, diz ele. “Compreender como estes cristais são formados em bolhas muito finas e como se movimentam pode ser útil na compreensão do congelamento biológico feito com criogenia”

Mas Boreyko diz que a sua equipa não tinha uma utilização final em mente quando começaram este projecto, apenas um desejo de compreender o que estavam a ver.

“As pessoas estão sempre a pensar em aplicações”, diz a Libbrecht. “Penso que essa é a forma errada de pensar sobre isso. Neste caso, a pesquisa é muito barata…. Não faz mal gastar um pouco de dinheiro a tentar compreender o que se passa à sua volta”

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