O professor associado Jonathan Boreyko e o colega de pós-graduação Mojtaba Edalatpour fizeram uma descoberta sobre as propriedades da águaque poderiam fornecer um adendo emocionante a um fena´meno estabelecido hámais de dois séculos. A descoberta também traz possibilidades interessantes para dispositivos e processos de resfriamento em aplicações industriais usando apenas as propriedades ba¡sicas da a¡gua. Seu trabalho foi publicado em 21 de janeiro na revista Physical Review Fluids .

A águapode existir em três fases: um sãolido congelado, um la­quido e um gás. Quando o calor éaplicado a um sãolido congelado, ele se torna um la­quido. Quando aplicado ao la­quido, torna-se vapor. Este princa­pio elementar éfamiliar para qualquer um que tenha observado um copo de cha¡ gelado em um dia quente ou fervido uma panela de águapara fazer espaguete.

Quando a fonte de calor estãoquente o suficiente, o comportamento da águamuda drasticamente. De acordo com Boreyko, uma gota de águadepositada em uma placa de aluma­nio aquecida a 150 graus Celsius (302 graus Fahrenheit) ou acima não fervera¡ mais. Em vez disso, o vapor que se forma quando a gota se aproxima dasuperfÍcie ficara¡ preso sob a gota, criando uma almofada que impede que o la­quido entre em contato direto com asuperfÍcie. O vapor preso faz com que o la­quido levite, deslizando pelasuperfÍcie aquecida como um disco de air hockey. Esse fena´meno éconhecido como efeito Leidenfrost, nomeado em homenagem ao médico e tea³logo alema£o que o descreveu pela primeira vez em uma publicação de 1751 .

Este princa­pio cienta­fico comumente aceito se aplica a  águacomo um la­quido, flutuando em um leito de vapor. A equipe de Boreyko se perguntou: o gelo poderia funcionar da mesma maneira?

"Existem tantos artigos sobre a levitação do la­quido que quera­amos fazer a pergunta sobre a levitação do gelo", disse Boreyko. "Começou como um projeto de curiosidade. O que motivou nossa pesquisa foi a questãode saber se era ou não possí­vel ter um efeito Leidenfrost trifa¡sico com sãolido, la­quido e vapor."

A curiosidade desencadeou a primeira investigação no laboratório de Boreyko hácerca de cinco anos na forma de um projeto de pesquisa do então estudante de graduação Daniel Cusumano. O que ele observou foi fascinante. Mesmo quando o aluma­nio foi aquecido acima de 150°C, o gelo não levitou no vapor como o la­quido. Cusumano continuou elevando a temperatura, observando o comportamento do gelo a  medida que o calor aumentava. O que ele descobriu foi que o limite para a levitação era dramaticamente maior: 550 C (1022 F) em vez de 150 C. Atéesse limite, a águaderretida sob o gelo continuava a ferver em contato direto com asuperfÍcie, em vez de exibir o efeito Leidenfrost .

O que estava acontecendo debaixo do gelo que prolongou a fervura? O projeto foi retomado pelo estudante de pós-graduação Mojtaba Edalatpour pouco tempo depois, para resolver o mistanãrio. Edalatpour estava trabalhando com Boreyko para desenvolver novos manãtodos de transferaªncia de calor e colocar esse conhecimento para trabalhar na abordagem desse problema. A resposta acabou sendo o diferencial de temperatura na camada de águaderretida sob o gelo. A camada de águaderretida tem dois extremos diferentes: seu fundo estãoem ebulição, o que fixa a temperatura em cerca de 100 C, mas seu topo estãoaderido ao gelo restante, que o fixa em cerca de 0 C. O modelo de Edalatpour revelou que a manutenção dessa temperatura extrema diferencial consome a maior parte do calor dasuperfÍcie, explicando por que a levitação era mais difa­cil para o gelo.

Boreyko elaborou. "O diferencial de temperatura que o gelo estãocriando na camada de águamudou o que acontece na própria a¡gua, porque agora a maior parte do calor da placa quente tem que atravessar a águapara manter esse diferencial extremo. a energia pode ser usada para produzir mais vapor."

A temperatura elevada de 550 graus Celsius para o efeito gelado de Leidenfrost épraticamente importante. A águafervente estãotransportando de maneira ideal o calor para longe do substrato, e épor isso que vocêsente bastante calor subindo de uma panela de águaque estãofervendo, mas não de uma panela de águaque estãoapenas quente. Isso significa que a dificuldade em levitar gelo érealmente uma coisa boa, pois a janela de temperatura maior para ebulição resultara¡ em melhor transferaªncia de calor em comparação com o uso de um la­quido sozinho.

"a‰ muito mais difa­cil levitar o gelo do que levitar a gota de a¡gua", disse Boreyko. “A transferaªncia de calor despenca assim que a levitação comea§a, porque quando o la­quido levita, ele não ferve mais. éterra­vel. Ferver éincra­vel."

Amedida que a equipe explorava possibilidades de aplicação prática , eles olhavam para o trabalho existente. Como Edalatpour tinha uma extensa pesquisa em transferaªncia de calor, esse ta³pico se tornou um ajuste la³gico.

A transferaªncia de calor émais importante para resfriar coisas como servidores de computador ou motores de carros. Requer uma substância ou mecanismo que possa afastar a energia de umasuperfÍcie quente, redistribuindo o calor rapidamente para reduzir o desgaste das pea§as meta¡licas. Em usinas de energia nuclear , a aplicação de gelo para induzir resfriamento rápido pode se tornar uma medida de emergaªncia facilmente implantada em caso de falha de energia ou uma prática regular para manutenção de pea§as de usinas de energia.

Existem também aplicações potenciais para a metalurgia. Para produzir ligas, énecessa¡rio extinguir o calor dos metais que foram moldados em uma estreita janela de tempo, tornando o metal mais forte e menos quebradia§o. Se o gelo fosse aplicado, permitiria que o calor fosse descarregado rapidamente atravanãs das três fases da a¡gua, resfriando rapidamente o metal.

Boreyko também prevaª um potencial para aplicações no combate a incaªndios.

"Vocaª pode imaginar ter uma mangueira feita especialmente para pulverizar lascas de gelo em vez de um jato de a¡gua", disse ele. "Isso não éficção cienta­fica. Visitei uma empresa aeroespacial que tem um taºnel de gelo e eles já tem essa tecnologia onde um bico pulverizapartículas de gelo ao invanãs de gotas de a¡gua."

Com inaºmeras possibilidades, Boreyko e Edalatpour estãoentusiasmados com a nova contribuição que chegou ao mundo da ciência Olhando para trás nos últimos cinco anos, eles ainda creditam esse desenvolvimento emocionante a  sua curiosidade compartilhada e ao desejo de serem criativos na pesquisa.