Pressão negativa é revelada por ondas de luz e som

Com informações do MPG - 02/10/2023

Impressão artística de um capilar de vidro cheio de líquido.
[Imagem: Long Huy Dao]

Pressão positiva e pressão negativa

Como quantidade física, a pressão é encontrada em vários campos: Pressão atmosférica na meteorologia, pressão arterial na medicina, ou mesmo na vida cotidiana, com panelas de pressão e alimentos selados a vácuo.

A pressão é definida como uma força por unidade de área agindo perpendicularmente sobre uma superfície de um sólido, líquido ou gás. Dependendo da direção na qual a força atua dentro de um sistema fechado, pressões muito altas podem levar a reações explosivas em casos extremos, enquanto pressões muito baixas num sistema fechado podem causar a implosão do próprio sistema. A sobrepressão sempre significa que o gás ou líquido empurra as paredes do recipiente por dentro, como um balão que se expande quando mais ar é adicionado.

Independentemente de ser uma pressão alta ou baixa, o valor numérico da pressão é sempre positivo em circunstâncias normais.

No entanto, os líquidos apresentam uma característica peculiar: Eles podem existir em um estado metaestável específico correspondente a um valor negativo de pressão. Nesse estado metaestável, mesmo uma pequena influência externa pode fazer com que o sistema entre em colapso para um estado ou outro. Pode-se imaginá-lo como se você estivesse no topo de uma montanha-russa: O menor toque em um lado ou no outro faz você se precipitar trilhos abaixo, num sentido ou noutro.

Medir esse estado exótico normalmente requer equipamentos complexos com precauções de segurança reforçadas. Altas pressões podem ser atividades perigosas, especialmente com líquidos tóxicos, como o dissulfeto de carbono, normalmente usado para isso. Devido a esta complicação, configurações de medição para gerar e determinar pressões negativas têm exigido espaço laboratorial significativo, com o efeito negativo adicional de todo esse aparato gerar perturbações para o sistema no estado metaestável. O resultado é que os experimentos são limitados e, por decorrência, sabemos pouco sobre essas condições.

Andreas Geilen e colegas do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, na Alemanha, desenvolveram agora uma configuração pequena e simples, com a qual podem fazer medições de pressão muito precisas usando ondas de luz e som.

Esquema de funcionamento da técnica optoacústica.
[Imagem: Andreas Geilen et al. - 10.1038/s41567-023-02205-1]

Medição optoacústica

A equipe demonstrou como ondas sonoras e ondas de luz podem ser usadas em conjunto para detectar mudanças de temperatura, pressão e deformação com muita sensibilidade ao longo de uma fibra óptica com a espessura de um fio de cabelo humano. Além disso, são possíveis medições espacialmente resolvidas, o que significa que as ondas sonoras podem fornecer uma imagem da situação dentro da fibra óptica com resolução em escala centimétrica ao longo de seu comprimento.

Inicialmente, pequenas quantidades - nanolitros - de um líquido são encapsuladas em uma fibra óptica, que é posteriormente selada, criando naturalmente pressões altamente positivas, mas também permitindo a emergência de pressões altamente negativas. De acordo com as leis da termodinâmica, a influência da pressão negativa sobre um líquido fará com que o volume do líquido diminua, mas o líquido é retido no capilar de fibra de vidro por forças adesivas, como uma gota de água grudada no dedo. Isto resulta num "alongamento" do líquido. Ele é separado e se comporta como um elástico sendo esticado, gerando as ondas sonoras.

A interação específica das ondas de luz, viajando pela fibra, e das ondas acústicas no líquido possibilitou então a medição sensível da influência da pressão e da temperatura nos diferentes estados do líquido. As ondas sonoras atuam como sensores para examinar valores de pressão negativa, explorando este estado único da matéria com alta precisão e resolução espacial detalhada. "As medições revelaram alguns efeitos surpreendentes. A observação do regime de pressão negativa torna-se bastante clara quando se olha para a frequência das ondas sonoras," disse Geilen.

A expectativa de equipe é que a combinação de medições optoacústicas com fibras capilares hermeticamente seladas permita novas descobertas em relação ao monitoramento de reações químicas em líquidos tóxicos, muito difíceis de investigar hoje, sobretudo dentro de reatores. A técnica também poderá permitir penetrar em áreas novas e de difícil acesso da termodinâmica, eventualmente mostrando fenômenos que permitam desvendar propriedades anteriormente inexploradas e potencialmente novas no estado termodinâmico dos materiais.

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