Em instalações industriais ao redor do mundo, minúsculas bolhas causam grandes problemas. Elas entopem filtros, interrompem reações químicas, reduzem a produtividade durante a biofabricação e podem até causar superaquecimento em usinas eletrônicas e nucleares.

A professora do MIT, Kripa Varanasi, estuda há muito tempo métodos para reduzir a ruptura causada por bolhas. Em um novo estudo, Varanasi, juntamente com o candidato a doutorado Bert Vandereydt e o ex-pós-doutorando Saurabh Nath, descobriram a física por trás de um tipo promissor de material de membrana anti-bolhas que é "aerofílico" — palavra grega para "que gosta de ar". O material pode ser usado em sistemas de todos os tipos, permitindo que qualquer pessoa otimize o desempenho de sua máquina, eliminando as rupturas causadas por bolhas.

“Descobrimos a estrutura desses materiais de membrana que atraem bolhas, permitindo que o gás escape da maneira mais rápida possível”, diz Varanasi, autor sênior do estudo. “Imagine tentar passar mel por uma peneira de café: não vai passar facilmente, enquanto a água passa e o gás passa ainda mais facilmente. Mas mesmo o gás atinge um limite de vazão, que depende das propriedades do gás e do líquido envolvido. Ao desvendar esses limites, nossa pesquisa permite que os engenheiros criem membranas melhores para seus sistemas.”

No artigo, publicado esta semana na revista PNAS  , os pesquisadores sintetizam suas descobertas em um gráfico que permite a qualquer pessoa plotar algumas características de seu sistema — como a viscosidade do gás e do líquido circundante — e encontrar a melhor membrana para tornar a remoção de bolhas quase instantânea. Usando essa abordagem, a equipe de pesquisa demonstrou uma aceleração de 1.000 vezes na remoção de bolhas em um biorreator utilizado nas indústrias farmacêutica, de alimentos e bebidas, de cosméticos, de produção química e outras.

Os pesquisadores afirmam que as membranas, que repelem a água, poderiam ser usadas para melhorar o desempenho de uma ampla gama de sistemas avançados cujo funcionamento tem sido prejudicado até o momento pela presença de bolhas.

Atualmente, as empresas tentam de tudo para acabar com as bolhas. Elas utilizam agentes antiespumantes que as fragmentam fisicamente, produtos químicos que atuam como agentes antiespumantes e até mesmo ultrassom. Essas abordagens apresentam desvantagens em ambientes rigorosamente controlados, como biorreatores, onde os antiespumantes químicos podem ser tóxicos para as células, enquanto a agitação mecânica pode danificar materiais biológicos delicados. Limitações semelhantes se aplicam a outros setores onde a contaminação ou a perturbação física são inaceitáveis. Como resultado, muitas aplicações que não toleram antiespumantes químicos ou intervenção mecânica permanecem fundamentalmente limitadas pela formação de espuma.

“A biofabricação realmente decolou nos últimos 10 anos”, diz Vandereydt. “Estamos produzindo muito mais a partir de sistemas biológicos, como células e bactérias, e nossos biorreatores aumentaram a capacidade de processamento de 5 milhões de células por milímetro de solução para 100 milhões de células por milímetro. No entanto, a evacuação de bolhas e a remoção de espuma não acompanharam esse ritmo — estão se tornando uma etapa limitante significativa.”

Para melhor compreender a interação entre membranas aerofílicas e bolhas, os pesquisadores do MIT utilizaram as instalações do MIT.nano para criar uma série de minúsculas membranas de silício porosas com orifícios que variam em tamanho de 10 a 200 micrômetros. Eles revestiram as membranas com nanopartículas de sílica hidrofóbicas.

Colocando-as na superfície de diferentes líquidos, os pesquisadores liberaram bolhas individuais com viscosidades variadas e registraram a interação usando imagens de alta velocidade, à medida que cada bolha colidia com as membranas.

“Começamos tentando pegar um sistema muito complexo, como a geração de espuma em um biorreator, e estudá-lo da forma mais simples possível para entender o que está acontecendo”, diz Vandereydt.

Inicialmente, quanto maiores os orifícios, mais rápido as bolhas desapareciam. Os pesquisadores também trocaram o gás das bolhas de ar para hidrogênio, que tem metade da viscosidade, e descobriram que a velocidade de destruição das bolhas dobrou.

Mas, após uma aceleração de cerca de 1.000 vezes na destruição das bolhas, os pesquisadores se depararam com um limite, independentemente do tamanho dos orifícios na membrana. Eles haviam encontrado um limite físico diferente para investigar.

Os pesquisadores então tentaram alterar a viscosidade do líquido, de água para algo mais próximo da viscosidade do mel. Eles descobriram que a viscosidade só influencia a velocidade de destruição das bolhas quando o líquido é 200 vezes mais viscoso que a água. Experimentos adicionais revelaram que o principal fator que retarda a evacuação das bolhas é a resistência inercial do líquido.

A equipe utilizou um biorreator para validar experimentalmente suas descobertas e as representou em um mapa que os engenheiros podem usar para inserir as características de seu sistema e encontrar tanto a melhor membrana para sua situação quanto o maior fator que retarda a evacuação das bolhas.

A pesquisa deve ser útil para qualquer pessoa que tente acelerar a destruição de bolhas em seus dispositivos industriais, mas também aprimora nossa compreensão da física que sustenta a dinâmica das bolhas.

“Identificamos três limites de vazão diferentes e a física por trás desses limites, e a reduzimos a leis muito simples”, explica Nath. “A velocidade com que você pode ir é inicialmente ditada pela tensão superficial e pela inércia. Mas você também pode atingir um limite diferente, onde os poros são extremamente pequenos, de modo que o gás tem dificuldade em se mover através deles. Nesse caso, a viscosidade do gás é significativa. Mas você também pode ter uma bolha que estava originalmente em algo como mel, o que significa que não basta o gás estar se movendo, o líquido também precisa preencher o espaço atrás dela. Independentemente das suas condições, você estará oscilando entre esses três limites.”

Varanasi afirma que empresas da área da saúde, fabricantes de produtos químicos e até cervejarias demonstraram interesse no projeto. Sua equipe planeja desenvolver comercialmente as membranas para uso industrial.

“Essas percepções físicas nos permitiram projetar membranas que, surpreendentemente, evacuam bolhas ainda mais rapidamente do que uma interface líquido-gás livre”, diz Varanasi.

O mapa de projeto dos pesquisadores também poderia ser usado para modelar sistemas naturais e até mesmo sistemas líquido-líquido, que poderiam ser usados para criar membranas capazes de remover derramamentos de óleo da água ou auxiliar na extração eficiente de hidrogênio a partir de eletrodos de eletrólise da água. Em última análise, os maiores beneficiados pelas descobertas serão as empresas que lidam com bolhas.

“Embora pequenas, as bolhas silenciosamente ditam os limites de desempenho de muitas tecnologias avançadas”, diz Varanasi. “Nossos resultados oferecem uma maneira de eliminar esse gargalo e desbloquear níveis de desempenho totalmente novos em diversos setores. Essas membranas podem ser facilmente adaptadas a sistemas existentes, e nossa estrutura permite que sejam projetadas e otimizadas rapidamente para aplicações específicas. Estamos entusiasmados em trabalhar com a indústria para traduzir essas descobertas em impacto.”

O trabalho foi financiado, em parte, pelo MIT Lincoln Laboratory e utilizou as instalações do MIT.nano.