Descoberta uma exceção às leis da termodinâmica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2025

O que os cientistas esperavam (à esquerda) e o que eles viram em sua emulsão magnética (direita).
[Imagem: Anthony Raykh et al. - 10.1038/s41567-025-02865-1]

Contestando a termodinâmica

Anthony Raykh, um estudante de graduação da Universidade de Massachusetts, nos EUA, fez uma descoberta que não apenas marcará sua carreira, mas também entrará para os anais da ciência: Ele descobriu uma exceção às leis da termodinâmica.

E a descoberta envolve a termodinâmica clássica, aquela que descreve as trocas de energia nos sistemas físicos, químicos e biológicos, o que é fundamental para diversas áreas da ciência e da engenharia, como o desenvolvimento de motores, refrigeração, produção de energia e reações químicas - o maior interesse atualmente está no outro lado do espectro, na tentativa de unificação da termodinâmica com a teoria quântica, além da conexão entre a termodinâmica e a computação.

Ao fazer experimentos envolvendo a mistura de fluidos, Raykh descobriu o que ele batizou de "líquido com recuperação de forma", uma mistura inusitada que desafia tudo o que seria de se esperar com base nas leis da termodinâmica.

"Imagine seu molho de salada italiano favorito. Ele é feito de óleo, água e temperos, e antes de você despejá-lo na sua salada, você o agita para que todos os ingredientes se misturem," exemplifica o professor Thomas Russell, coordenador do estudo. São esses temperos, esses pequenos pedaços de outra coisa, que permitem que água e óleo, que normalmente são imiscíveis, se misturem, um processo chamado emulsificação e que é descrito pelas leis da termodinâmica.

Embora Raykh não estivesse preparando molhos de salada, ele usou o mesmo princípio para tentar misturar óleo, água e partículas magnetizadas. A surpresa veio quando a emulsão resultante se comportou do modo totalmente anômalo, um modo que não obedece às leis da termodinâmica.

As partículas fortemente magnetizadas "curvam" as leis da termodinâmica.
[Imagem: Anthony Raykh/UMass Amherst]

Emulsão magnética

É possível produzir materiais com propriedades muito interessantes usando partículas magnéticas, de ímãs líquidos e novos sensores de campos magnéticos até nanotecnologias para lidar com derramamentos de petróleo.

A surpresa veio quando os pesquisadores decidiram usar partículas magnetizadas de níquel. "Em uma surpresa completa, a mistura formou esta bela e imaculada forma de urna. Não importa quantas vezes ou quão forte ela fosse sacudida, a forma de urna sempre retornava. Eu pensei 'o que é isso?' Então, 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 emulsão ilustra aspectos importantes das leis da termodinâmica, especialmente em relação à 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 organização que, embora não seja a mais estável, possui uma certa estrutura. Deixado em repouso, porém, haverá um aumento da desordem, com o sistema tendendo a uma condição mais estável termodinamicamente, com as moléculas de óleo e água tendendo a se separar novamente. Ou seja, a instabilidade de uma emulsão ilustra a segunda lei da termodinâmica, mostrando a tendência natural dos sistemas isolados a evoluírem para estados de maior entropia.

O problema é que a emulsão magnética de Raykh produz um formato curioso e inusitado e que, mais importante, é estável.

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

Tensão na interface

Como nenhum professor encontrou uma explicação, eles formaram uma equipe e começaram a fazer simulações para tentar entender e explicar o fenômeno. E a explicação está justamente no magnetismo.

"Quando você olha bem de perto as nanopartículas individuais de níquel magnetizado que formam a fronteira entre a água e o óleo, você pode obter informações extremamente detalhadas sobre como diferentes formas se montam," explica o professor David Hoagland. "Neste caso, as partículas são magnetizadas fortemente o suficiente para que sua montagem interfira no processo de emulsificação, que as leis da termodinâmica descrevem."

Normalmente, partículas adicionadas a uma mistura de óleo e água diminuem a tensão na interface entre os dois líquidos, permitindo que eles se misturem. Mas, e esta é a grande novidade, partículas que são magnetizadas com intensidade suficiente agem de modo oposto, aumentando a tensão interfacial, curvando suavemente a fronteira entre o óleo e a água, o que explica o formato observado por Raykh.

Embora ainda não vislumbre nenhuma aplicação para sua descoberta, Raykh está animado para descobrir como esse estado nunca antes visto pode influenciar o emergente campo da física da matéria mole, que já envolve de sensores e materiais de aplicação biomédica até os robôs macios.

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