Minúsculas partículas dançam em volta umas das outras em gravidade próxima de zero

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Força eletrostática faz com que partículas fiquem juntas durante uma queda livre por uma câmara de vácuo. Crédito da imagem: Cortesia iStockphoto/rbulthuis.

Artigo traduzido de Physics World. Autor: Ian Randall.

As primeiras observações diretas de interações individuais entre grãos sub-milimétricos carregados foram relatadas por pesquisadores nos EUA. Os experimentos foram realizados para simular condições presentes quando o planeta estava em formação, e revelam que as partículas atraem e repelem umas às outras através de forças eletrostáticas. As partículas também se combinam, muitas vezes através de colisões múltiplas, para formar agrupamentos com configurações semelhantes às moléculas.

A compreensão de como as partículas finas interagem é fundamental para uma variedade de situações – incluindo o acréscimo de poeira interestelar durante a formação planetária, o agrupamento de biomoléculas em processos industriais e a coagulação de poluentes perigosos transportados pelo ar.

Acredita-se que as interações eletrostáticas de longo alcance desempenham um papel importante na interação de partículas muito pequenas, às vezes fazendo com que as partículas se acumulem em pedaços maiores. As próprias partículas podem ser quimicamente neutras mas podem obter grandes cargas positivas ou negativas através do atrito durante os eventos de colisão. No entanto, não compreendemos muito bem como exatamente as forças eletrostáticas afetam o processo de agregação, porque as experiências devem ser realizadas na ausência de gravidade.

Plano-sequência

Agora, Victor Lee e seus colegas da Universidade de Chicago desenvolveram uma nova configuração experimental que minimiza o efeito da gravidade, observando as partículas em queda livre dentro de uma câmara de vácuo de 3m de altura. Grãos de silicato de dióxido de zircônio – cada um com diâmetros na escala de alguns décimos de milímetro – foram deixados em queda através da câmara numa corrente diluída. Ao lado da câmara de vácuo, uma câmera de alta velocidade foi deixado cair ao lado dos grãos, guiada por dois trilhos de baixo atrito. Ao registrar o comportamento das partículas através de uma janela por todo o comprimento da câmara, Lee e seus colegas foram capazes de estudar as interações das partículas de até 0,2 segundos em um ambiente de baixa gravidade – antes da descida a câmera foi gentilmente presa por almofadas de espuma.

Em um teste separado, os investigadores determinaram a carga total dos grãos individuais através da aplicação de um campo elétrico forte em todo o fluxo de queda e mediram a aceleração resultante dos grãos.

As observações de longo alcance revelaram interações eletrostáticas atrativas e repulsivas significativas entre as partículas carregadas, com algumas partículas que viajaram em órbitas keplerianas em relação às outras. Grãos também foram vistos se agrupando através de uma série de eventos de colisões vigorosas. Isto permite o desenvolvimento de agrupamentos de partículas a partir de colisões em velocidades relativas mais elevadas do que seria esperado de colisões frontais simples. Isso, dizem os pesquisadores, é relevante para o acúmulo de poeira na formação planetária.

“Ao eliminar a resistência do ar e a gravidade, assistimos a uma dança delicada envolvendo órbitas eletrostáticas induzidas, formação de agrupamentos e eventos de aniquilação, e até mesmo a formação de ‘moléculas’ de grãos com cargas opostas”, diz Lee. “Nossos resultados revelam os ingredientes essenciais para deixar tal amontoado de poeira unido, o que talvez explique por que o chão sob nossos pés está lá em primeiro lugar”.

Estudo meticulosos e “corajoso”

Troy Shinbrot da Universidade Rutgers nos EUA – que não esteve envolvido neste estudo – elogia a investigação para confirmar como grãos idênticos podem adquirir fortes cargas relativas, e revelando em detalhes meticulosos as complexas interações entre partículas finas. “O trabalho é tecnicamente impressionante e envolveu uma certa “coragem” dos pesquisadores, que destemidamente derrubaram uma câmera de 20 mil dólares em alta velocidade milhares de vezes para acompanhar as partículas em queda”, diz ele.

“A prova de que interações eletrostáticas de longo alcance levam a órbitas keplerianas entre esses pequenos grãos é emocionante de ler”, concorda Jürgen Blum da Technische Universität Braunschweig, na Alemanha. Blum é cético, no entanto, sobre a sugestão da aplicabilidade do estudo nos processos de formação planetária. “O número de cargas elementares por grãos é enorme [neste experimento] e muito, muito maior do que seria possível em um ambiente de formação planetária, devido à capacidade de descarga do gás parcialmente ionizado”, observa ele. Blum também aponta que os tamanhos menores dos grãos encontrados em um disco protoplanetário também resultaria em uma menor proporção das forças Coulomb-a-Van-der-Waals nas interações entre os grãos.

Lee e seus colegas fizeram um vídeo mostrando as interações entre um número de partículas durante a queda livre.

A pesquisa está descrita na Nature Physics.

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Douglas Rodrigues Aguiar de Oliveira
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