Ondas de luz e som revelam 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 a uma superfície de um sólido, líquido ou gás. Dependendo da direção em que 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 pressão alta ou baixa, o valor numérico da pressão é sempre positivo em circunstâncias normais.

Porém, os líquidos apresentam uma característica peculiar. Eles podem existir em um estado metaestável específico correspondente a um valor de pressão negativo. Neste 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 cair nos trilhos. Em sua pesquisa atual, os cientistas estão examinando o estado metaestável de líquidos com pressão negativa. Para conseguir isso, a equipe de pesquisa combinou duas técnicas exclusivas em um estudo publicado em Física da Natureza para medir vários estados termodinâmicos. Inicialmente, pequenas quantidades – nanolitros – de um líquido foram encapsuladas numa fibra óptica totalmente fechada, permitindo pressões altamente positivas e negativas. Posteriormente, a interação específica das ondas ópticas e acústicas no líquido possibilitou 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.

A influência da pressão negativa sobre um líquido pode ser visualizada da seguinte forma: De acordo com as leis da termodinâmica, o volume do líquido diminuirá, mas o líquido é retido no capilar de fibra de vidro por forças adesivas, como uma gota de água aderindo a um líquido. um dedo. Isto resulta num “alongamento” do líquido. Ele é separado e se comporta como um elástico sendo esticado. Medir esse estado exótico normalmente requer equipamentos complexos com precauções de segurança reforçadas. Altas pressões podem ser atividades perigosas, especialmente com líquidos tóxicos. O dissulfeto de carbono, utilizado pelos pesquisadores neste estudo, se enquadra nesta categoria. Devido a esta complicação, configurações de medição anteriores para gerar e determinar pressões negativas exigiram espaço laboratorial significativo e até representaram uma perturbação para o sistema no estado metaestável. Com o método apresentado aqui, os pesquisadores desenvolveram uma configuração pequena e simples na qual podem fazer medições de pressão muito precisas usando ondas de luz e som. A fibra usada para esse fim tem a espessura de um fio de cabelo humano.

“Alguns fenômenos que são difíceis de explorar com métodos comuns e estabelecidos podem se tornar inesperadamente acessíveis quando novos métodos de medição são combinados com novas plataformas. Acho isso emocionante”, diz a Dra. Birgit Stiller, chefe do grupo de pesquisa de Optoacústica Quântica do MPL. As ondas sonoras usadas pelo grupo podem detectar mudanças de temperatura, pressão e deformação com muita sensibilidade ao longo de uma fibra óptica. 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. “Nosso método nos permite obter uma compreensão mais profunda das dependências termodinâmicas neste sistema único baseado em fibra”, diz Alexandra Popp, uma das duas autoras principais do artigo. O outro autor principal, Andreas Geilen, acrescenta: “As medições revelaram alguns efeitos surpreendentes. A observação do regime de pressão negativa torna-se abundantemente clara quando se olha para a frequência das ondas sonoras.”

A combinação de medições optoacústicas com fibras capilares hermeticamente seladas permite novas descobertas em relação ao monitoramento de reações químicas em líquidos tóxicos em materiais e microrreatores de outra forma difíceis de investigar. Ele pode penetrar em áreas novas e de difícil acesso da termodinâmica. “Esta nova plataforma de fibras de núcleo líquido totalmente seladas fornece acesso a altas pressões e outros regimes termodinâmicos”, diz o Prof. Markus Schmidt do IPHT em Jena, e o Dr. Mario Chemnitz, também do IPHT em Jena, enfatiza: “É de grande importância interesse em investigar e até mesmo adaptar outros fenômenos ópticos não lineares neste tipo de fibra.” Esses fenômenos podem desbloquear propriedades anteriormente inexploradas e potencialmente novas no estado termodinâmico único dos materiais. Birgit Stiller conclui: “A colaboração entre os nossos grupos de investigação em Erlangen e Jena, com os seus respectivos conhecimentos, é única na obtenção de novos conhecimentos sobre processos e regimes termodinâmicos numa plataforma óptica pequena e fácil de manusear.”