Uma simples gota pode ser uma ferramenta imensamente útil em diversas áreas, da medicina à indústria. Controlar o tamanho da gota, no entanto, é uma tarefa importante — e muito complexa. Com uma precisão sem precedentes, uma equipe de pesquisadores determinou como as gotas se fragmentam em gotas menores, em que tamanho e sob quais condições. Os resultados deste estudo foram publicados na revista Soft Matter. 

“As gotículas podem ser usadas como microrecipientes que encapsulam pequenas quantidades de fluido e outros componentes”, disse o Prof. Corey O'Hern, que liderou o estudo. Por isso, segundo ele, elas podem ser usadas para administrar medicamentos ao corpo ou para encontrar as assinaturas genômicas de uma única célula. 

“Outra aplicação interessante envolve microreatores. Você pode colocar diferentes concentrações de espécies químicas na gota, permitir que elas se misturem e determinar como reagem.”

“A principal questão envolve o pequeno tamanho das gotículas”, disse O'Hern, professor de engenharia mecânica. “É preciso criar uma distribuição específica de tamanhos de gotículas para essas aplicações, e não dá para simplesmente encomendar sua distribuição de tamanho de gotículas favorita pela internet.”

Para atingir o tamanho correto, uma gota precisa sofrer uma série de quebras. Uma possibilidade é que uma gota grande seja primeiro cortada ao meio, e essas metades sejam cortadas ao meio novamente, e assim por diante. Mas prever as proporções de tamanho das gotas menores, ou "gotas-filhas", é difícil.

“As gotículas nem sempre se dividem ao meio; as proporções de tamanho das gotículas resultantes podem depender de muitas propriedades da gotícula e do fluido circundante.”

Os pesquisadores realizaram experimentos nos quais uma única gota — geralmente água, imersa em óleo — passa por uma câmara microfluídica projetada com uma matriz interna de minúsculos obstáculos. Ao completar o percurso na câmara, a gota se fragmenta em muitas gotas menores. Os pesquisadores então analisaram por que algumas gotas atingem um obstáculo e permanecem intactas, enquanto outras se fragmentam em gotas menores de tamanhos diferentes. 

A resposta foi encontrada na combinação da tensão superficial da gota e do ângulo de colisão entre a gota e o obstáculo. A tensão superficial quantifica a força com que uma gota busca manter sua forma esférica. O número capilar da gota descreve a força relativa da tensão superficial da gota em relação às forças viscosas do fluido circundante. Controlando a velocidade do fluido de fundo, os pesquisadores conseguem ajustar a velocidade da gota e, consequentemente, o seu número capilar.

E depois há a questão de como as gotas colidem com os obstáculos. Uma colisão frontal normalmente significa que elas se partiriam ao meio, mas impactos laterais produzem quebras desiguais ou nenhuma quebra.

“Existe uma linha divisória clara no espaço de parâmetros do ângulo de aproximação e do número capilar quando as gotículas se rompem e quando não se rompem”, disse O'Hern. “Por exemplo, se a colisão não for frontal, números capilares maiores não resultarão na ruptura da gotícula.”

A equipe de pesquisa realizou 5.000 desses experimentos de ruptura de gotículas individuais. Além disso, a equipe executou simulações computacionais da ruptura de gotículas para explorar uma gama mais ampla do espaço de parâmetros da gotícula e do fluido. Os resultados das simulações corresponderam quantitativamente aos dos experimentos. As simulações validadas agora podem ser usadas para investigar a ruptura de múltiplas gotículas em conjuntos de obstáculos maiores.  

O'Hern afirmou que, daqui para frente, a equipe de pesquisa se concentrará no efeito oposto — como gotas separadas se juntam e se fundem em uma só, já que tanto a coalescência quanto a quebra determinam a distribuição de tamanho das gotas em estado estacionário nesses sistemas.