Quando um líquido ferve em um recipiente, pequenas bolhas de vapor se formam no fundo e sobem, transferindo calor no processo. Como essas pequenas bolhas crescem e eventualmente se desprendem não era conhecido em detalhes.

Uma equipe de pesquisa alemã-chinesa sob a liderança do Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) conseguiu expandir fundamentalmente esse entendimento. As descobertas podem ser aplicadas a futuros sistemas de resfriamento para microprocessadores ou à produção de hidrogênio neutro em carbono, conhecido como hidrogênio verde, como a equipe relatou no Journal of Colloid and Interface Science .

A forma como as gotas ou bolhas de vapor molham uma superfície depende do tipo e da natureza do material da superfície. Por exemplo, gotas esféricas se formam em materiais hidrofóbicos, com mínima área de contato com a base. Com materiais hidrofílicos, no entanto, o líquido tende a criar depósitos planos – a interface sólido-líquido é então muito maior. Tais processos podem ser descritos teoricamente pela equação de Young-Laplace.

Essa equação produz um ângulo de contato que caracteriza o comportamento da gota na superfície: grandes ângulos indicam um molhamento ruim, enquanto ângulos pequenos indicam um bom molhamento. Quando uma bolha de vapor se forma em uma parede em um líquido fervente, uma película muito fina de líquido – invisível a olho nu – permanece abaixo dela. Este filme determina como a bolha cresce e como se desprende da parede. O ângulo de contato também desempenha um papel fundamental a esse respeito.

A teoria subjacente é baseada em uma abordagem relativamente simples. "Ele leva em consideração tanto a pressão exercida externamente pelo líquido quanto a pressão de vapor dentro da bolha", explicou o professor Uwe Hampel, chefe de dinâmica de fluidos térmicos experimentais no HZDR. "Depois há a pressão capilar, que é criada pela curvatura da superfície da bolha."

Recentemente, no entanto, uma série de experimentos usando medição a laser demonstraram que essa teoria estabelecida falha para gotículas e bolhas muito pequenas: em nanoescala, os ângulos de contato medidos desviaram-se significativamente em alguns casos das previsões teóricas.

Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa germano-chinesa começou a revisar a teoria. Para fazer isso, eles examinaram mais de perto os processos que ocorrem quando um líquido ferve. "Consideramos em detalhes o comportamento interfacial das moléculas", explicou o pesquisador do HZDR, Dr. Wei Ding. "Depois usamos um computador para simular a interação entre essas moléculas."

Ao fazer isso, o grupo de pesquisa descobriu uma diferença significativa em relação às abordagens anteriores: as forças que atuam entre as moléculas não se somam simplesmente linearmente. Em vez disso, a interação é muito mais complexa, resultando em efeitos não lineares distintos. Esses são precisamente os efeitos que os especialistas consideram em sua nova teoria expandida.

"Nossa hipótese fornece uma boa explicação para os resultados obtidos em experimentos recentes", afirmou Ding com satisfação. “Agora temos uma compreensão muito mais precisa do comportamento de pequenas gotículas e bolhas de vapor”.

Além de completar nosso entendimento da base teórica, as descobertas também prometem avanços em diversas áreas da tecnologia, como a microeletrônica. Nessa área, os processadores agora são tão poderosos que emitem quantidades crescentes de calor, que devem ser dissipadas por sistemas de resfriamento.

"Existem ideias para remover esse calor fervendo um líquido", observou Uwe Hampel. “Com nossa nova teoria, devemos ser capazes de determinar as condições sob as quais as bolhas de vapor ascendentes podem dissipar a energia térmica com mais eficiência”. As equações também podem ajudar a resfriar elementos de combustível em um reator nuclear de forma mais eficaz do que no passado.

A eletrólise da água para produzir hidrogênio neutro em carbono, conhecido como hidrogênio verde, é outra aplicação potencial. Inúmeras bolhas de gás se formam nas superfícies da membrana de um eletrolisador durante a separação da água. Com essa nova teoria, parece concebível que essas bolhas possam ser influenciadas de forma mais específica do que antes, permitindo uma eletrólise mais eficiente no futuro. A chave para todas essas aplicações potenciais está na seleção e estruturação de materiais apropriados.

"Adicionar nanosulcos a uma superfície, por exemplo, pode acelerar significativamente o desprendimento de bolhas de gás durante a fervura", explicou Wei Ding. "Com nossa nova teoria, essa estruturação pode agora ser mais bem adaptada - um projeto no qual já estamos trabalhando."