Minúsculas “pontes” ajudam as partículas a se unir

Cientistas americanos chegaram a uma concepção fundamental sobre como partículas de todos os tipos formam agregados, algo que influencia a produção dos mais variados materiais

Surpresas acontecem quando a sujeira vira lama, descobriram cientistas americanos. Crédito: US Marine Corps/Wikimedia

Toda vez que chove, o solo fica molhado e pode formar lama pegajosa. Então ela seca. Mais tarde, pode chover novamente. Cada umedecimento e reumedecimento afeta a estrutura e a estabilidade do solo. Essas mudanças são levadas em consideração quando, por exemplo, arquitetos e engenheiros projetam, instalam e constroem edifícios. Mas, de maneira mais ampla, a ciência de como as partículas se unem e depois se separam afeta campos tão diversos quanto riscos naturais, fertilização agrícola, produção de cimento e design farmacêutico.

Unindo esses campos díspares, uma equipe da Universidade da Pensilvânia (EUA) descobriu que, quando as partículas estão úmidas e depois são deixadas para secar, seu tamanho tem muito a ver com a força com que se unem – e se permanecem juntas ou caem separadas da próxima vez que forem molhadas. Seu estudo foi publicado na revista “Proceedings da National Academy of Sciences” (PNAS).

O que empresta força a esses agregados pegajosos, segundo a equipe, são pontes finas formadas quando partículas do material são suspensas em um líquido e depois são postas para secar, deixando fios finos de partículas que conectam grupos maiores. Os fios, que os pesquisadores chamam de pontes sólidas, aumentam a estabilidade dos agregados em 10 a 100 vezes.

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“Esse sólido fenômeno de ponte pode ser onipresente e importante para entender a força e a qualidade de erosão dos solos naturais”, disse Paulo Arratia, engenheiro de mecânica de fluidos da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia e coautor do estudo.

Tamanho interfere

“Descobrimos que o tamanho de uma partícula pode compensar a contribuição de suas propriedades químicas quando se trata de determinar com que força ela adere a outras partículas”, acrescentou Douglas Jerolmack, geofísico da Escola de Artes e Ciências e autor correspondente do artigo.

A equipe de pesquisa foi liderada por Ali Seiphoori, ex-pós-doutorando no laboratório de Jerolmack e agora no MIT, e incluiu o pós-doutorando de física Xiao-guang Ma. O trabalho atual resultou de investigações que eles vinham realizando em conjunto com a Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia sobre amianto, especificamente como suas fibras semelhantes a agulhas grudam umas nas outras e em outros materiais para formar agregados. Isso os levou a pensar de maneira mais geral sobre o que determina a força e a estabilidade de um agregado.

O grupo adotou uma abordagem experimental para responder a essa pergunta criando um modelo simples de agregação de partículas. Eles suspenderam esferas de vidro de dois tamanhos, 3 e 20 mícrons, em uma gota de água. (Para referência, um cabelo humano tem aproximadamente 50 a 100 mícrons de largura.) À medida que a água evaporava, as bordas da gota recuavam, arrastando as partículas para dentro. Posteriormente, a gota de água encolhida se transformou em várias gotas menores conectadas por uma ponte fina de água, conhecida como ponte capilar, antes que ela também evaporasse.

A equipe descobriu que as pressões extremas de sucção causadas pela evaporação uniram tão fortemente as pequenas partículas que elas e fundiram nas pontes capilares, deixando para trás pontes sólidas entre as partículas maiores, às quais elas também se ligavam, quando a água evaporava completamente.

Agregados estáveis

Quando a equipe voltou a molhar as partículas, aplicando água em um fluxo controlado, eles descobriram que os agregados compostos apenas das partículas de 20 mícrons eram muito mais fáceis de interromper e ressuspender do que os compostos das partículas menores ou misturas de partículas pequenas e maiores.

“Descobrimos que se os agregados compostos apenas de partículas maiores que 5 mícrons fossem molhados, eles desmoronariam”, diz Jerolmack. “Mas abaixo de 5 mícrons, nada acontece, os agregados eram estáveis.”

Em testes posteriores com misturas de partículas de quatro tamanhos diferentes – imitando mais de perto a composição natural do solo -, os pesquisadores descobriram o mesmo efeito de ponte ocorrendo em diferentes escalas: as partículas maiores foram conectadas pela segunda maior, que por sua vez foram conectadas pela terceira maior, estabilizada por pontes das menores partículas. Mesmo misturas que continham apenas uma pequena fração de partículas menores se tornaram mais estáveis ​​graças à ponte sólida.

Quanto mais estável? Para descobrir, Seiphoori colou meticulosamente a sonda de um microscópio de força atômica em uma única partícula, deixou-a assentar e depois quantificou a “força de extração” necessária para remover a partícula do agregado. Repetindo isso para partículas em agregados de partículas grandes e pequenas, eles descobriram que as partículas ficaram 10 a 100 vezes mais difíceis de remover quando formaram uma estrutura sólida de ponte do que em outras configurações.

Coesão testada

Para se convencerem de que o mesmo seria verdadeiro com os materiais além de suas esferas de vidro experimentais, eles realizaram experimentos semelhantes usando dois tipos de argila que são componentes comuns de solos naturais. As partículas menores de argila e a presença de pontes sólidas seguiam tornando os agregados estáveis. E o inverso também era verdadeiro: quando partículas de argila menores que 5 mícrons eram removidas das suspensões, seus agregados resultantes perdiam coesão.

“Considera-se que os solos argilosos sejam fundamentalmente coesos”, diz Jerolmack, “e que a coesão geralmente é atribuída à carga ou a alguma outra propriedade mineralógica da argila que a torna pegajosa, mas sim o fato de que as partículas de argila tendem a ser muito pequenas. É uma nova explicação para a coesão.”

Esses novos insights sobre a contribuição do tamanho das partículas para agregar estabilidade abrem novas possibilidades para considerar como aprimorar a estabilidade de materiais como solo ou cimento, quando desejado. “Você pode imaginar a estabilização dos solos antes de um projeto de construção, adicionando partículas menores que ajudam a unir o solo”, diz Jerolmack.

Além disso, a produção de uma variedade de materiais, de dispositivos médicos a revestimentos de tela de LED, depende da deposição de filmes finos, que os pesquisadores dizem que podem se beneficiar da produção controlada de agregados observados em seus experimentos.