Película de sabão tem memória

Michael Schirber - Physical Review Focus - 04/03/2011

Dentro de um quadro de arame na forma de uma prisma triangular, filmes de sabão podem se encontrar no centro em uma linha vertical (em cima) ou em um triângulo horizontal (embaixo, visto de lado). Os pesquisadores acompanharam a mudança de um formato para o outro e mostraram que o formato do filme depende da sua história.
[Imagem: D. Terwagne/Univ. of Liege]

Além das bolhas de sabão

Uma bolha de sabão é esférica, mas basta mergulhar uma armação de arame na água com sabão para fazer outras formas.

Agora, um grupo de cientistas acompanhou em detalhes como a película muda de uma forma para outra quando a armação de arame é lentamente modificada.

Como já havia sido previsto pela teoria, o ponto de transição depende do formato inicial - como se a película se lembrasse do seu passado.

O experimento, detalhado na Physical Review E de Março, é uma demonstração visual clara de um tipo de equilíbrio delicado, conhecido como metaestabilidade, e pode fornecer alguns insights sobre como as bolhas evoluem na formação das espumas sólidas - um colchão ou uma caixa de isopor, por exemplo.

Energia potencial

Uma película de sabão - ou filme, como os cientistas a chamam - contorce-se a fim de minimizar sua energia potencial, o que geralmente significa minimizar sua área superficial.

Assim, os pesquisadores podem determinar a superfície mínima dentro de uma estrutura tridimensional construindo um modelo de arame e mergulhando-o em uma solução de sabão.

A película resultante, presa às bordas de arame, deve ser a única solução.

Entretanto, 30 anos atrás, pesquisadores descobriram que algumas dessas estruturas tinham mais de uma solução.

O exemplo mais simples é o prisma triangular, que tem triângulos equiláteros nas partes superior e inferior, e retângulos nos três lados verticais.

Metamorfo

Quando a estrutura em arame do prisma é mergulhada em uma solução de sabão, um filme se estende em direção ao centro de cada uma das nove bordas, formando três planos verticais e um par de pirâmides triangulares - uma se estendendo para cima a partir do triângulo inferior, e uma segunda avançando para baixo a partir do triângulo superior.

A forma como estas pirâmides se encontram no centro depende das dimensões do prisma.

Cálculos numéricos mostram que, se a altura do prisma é maior do que cerca de metade do comprimento dos triângulos na base, as pontas das pirâmides são conectadas por uma linha vertical onde os planos verticais se conectam.

Mas se a razão altura/base for inferior a cerca de 0,4, os lados das pirâmides fazem uma ligeira curva, e suas pontas se fundem em um triângulo horizontal no centro.

Entre esses dois limites, o filme de sabão pode assumir qualquer uma das configurações.

Metaestabilidade

Apenas um dos dois estados tem a menor área de superfície possível, mas o outro estado pode ser metaestável - estável contra perturbações pequenas - porque tem menos energia do que qualquer configuração "próxima".

"Você encontrará a metaestabilidade em todos os ramos da física," disse Nicolas Vandewalle, da Universidade de Liège, na Bélgica. "Mas se você brincar com filmes de sabão, você pode demonstrar isso muito facilmente."

Outros experimentalistas estudaram anteriormente esta metaestabilidade da película de sabão soprando em um prisma fixo para induzir transições de uma configuração para a outra.

Para explorar esse comportamento sem a adição de energia externa, Vandewalle e seus colegas construíram um prisma cuja altura pode ser alterada continuamente.

Memória da película de sabão

Eles começaram com um filme de sabão na configuração da linha vertical e diminuíram a altura do prisma até que o comprimento da linha vertical fosse reduzido para zero, em uma proporção altura/base de 0,44.

Neste ponto, o filme mudou para a configuração de triângulo horizontal.

Quando os pesquisadores inverteram a direção no sentido de um prisma mais alto, a área do triângulo começou a encolher.

Mas a transição de volta para a configuração da linha vertical não ocorreu até que se atingisse uma proporção altura/base de 0,52, mostrando que o sistema tinha alguma memória do seu estado anterior, um efeito conhecido como histerese.

A histerese já havia sido observada em filmes de sabão antes, mas esta é a primeira vez que um sistema 3D foi totalmente caracterizado.

Com algumas aproximações geométricas, os pesquisadores calcularam a energia potencial e mostraram como ela depende da proporção altura/base e das dimensões do triângulo ou da linha no centro da estrutura.

Plotando esta energia como uma superfície, ou "paisagem", o mapa mostra dois vales, ou poços de potencial, correspondentes às duas configurações.

Se o sistema começar em um poço, ele fica preso lá até a relação altura/base atingir um valor crítico que o empurra para o outro poço.

Uso prático

"Este é um trabalho simpático e elegante," afirmou Arnaud Saint-Jalmes, da Universidade de Rennes, na França.

Ele vê uma conexão com espumas, onde a metaestabilidade faz as pequenas bolhas internas se reorganizarem e se fundirem ao longo do tempo, mesmo em materiais sólidos, como aqueles utilizados em embalagens e em isolamento térmico.

Saint-Jalmes afirma que o trabalho deverá melhorar a compreensão da relação entre as propriedades macroscópicas das espumas e a evolução microscópica das suas bolhas ou poros.

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