Uma instabilidade convectiva completamente nova foi prevista e descoberta experimentalmente, 140 anos após Lord Rayleigh. As instabilidades convectivas são de fundamental importância tanto para nossa vida cotidiana quanto para a ecologia e o clima na ciência atmosférica e oceânica.

Um exemplo bem conhecido é a instabilidade de Rayleigh-Taylor, que ocorre sempre que um fluido mais leve se move verticalmente para cima em direção a um fluido mais denso, exemplos disso são erupções vulcânicas e os cogumelos nucleares após explosões nucleares.

O mecanismo das instabilidades convectivas foi esclarecido por Lord Rayleigh em uma série de artigos, cerca de 140 anos atrás (o número de Rayleigh adimensional usado para quantificar o início da instabilidade recebeu esse nome em sua homenagem) e ainda é intensamente estudado como um fenômeno físico e natural pelo qual padrões espaciais auto-organizados surgem como consequência de uma instabilidade dinâmica.

Trabalhando em estreita colaboração com nossos colegas experimentais da Universidade de Milão, descobrimos e previmos matematicamente uma nova instabilidade convectiva, 140 anos após o trabalho de Lord Rayleigh. Na instabilidade de Rayleigh-Taylor, o fluido mais leve está inicialmente na parte inferior e o fluido mais pesado na parte superior, portanto, a mistura de fluidos é gravitacionalmente instável em sua condição inicial. Nosso artigo foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters.

Em nosso experimento, no entanto, consideramos o caso oposto: um líquido mais pesado (glicerol) fica inicialmente no fundo, enquanto um mais leve (água) fica em cima do mais pesado. Portanto, o sistema é gravitacionalmente estável e ninguém esperaria que ocorresse uma instabilidade. Neste ponto, adicionamos nanopartículas de sílica ao sistema.

As nanopartículas de sílica tendem a se mover para cima para minimizar sua energia interfacial, ou seja, elas se movem de regiões inferiores, mais ricas em glicerol, para regiões superiores, mais ricas em água: isso é chamado de processo de difusioforese.

Como consequência dessa difusão ascendente das nanopartículas coloidais, regiões localmente mais densas são formadas nas camadas ricas em água, que são então empurradas de volta pela gravidade. Isso marca o início de uma instabilidade hidrodinâmica. Esta última aparece como um pico no fator de estrutura que é obtido pela irradiação da amostra com luz, e é acompanhada pela formação de padrões.

Na prática, células de regiões localmente pobres em coloides são cercadas por "braços" ricos em nanopartículas coloides. Em nosso experimento óptico, os braços da rede que é formada aparecem como fluorescentes brilhantes em contraste com as regiões azul-escuras depletadas de coloides. Por fim, a formação do padrão termina com separação de fase em tempos longos.

Este é um novo efeito físico (diferente das instabilidades de Rayleigh-Taylor e Rayleigh-Benard), que modelamos matematicamente com equações de difusão acopladas para as nanopartículas e o soluto (glicerol), a partir das quais podemos prever o início da instabilidade em termos do número de Rayleigh.

Esta descoberta pode ter uma ampla gama de aplicações potenciais, tanto para tecnologia quanto para proteção ambiental. Por exemplo, esta instabilidade convectiva pode ser usada para realizar novos materiais microscopicamente estruturados induzindo a coagulação das nanopartículas nos braços da rede, o que pode ser uma nova rota para processos sol-gel e para fazer novos materiais com uma microestrutura interna controlada.

A nova instabilidade convectiva também poderia ser usada como um método para separar misturas de fluidos em uma variedade de sistemas industriais, farmacêuticos e naturais, e também para separar contaminantes coloidais, como microplásticos, de fluidos. Finalmente, pode lançar luz sobre a formação de padrões e listras coloridas na pele de animais, de zebras a peixes tropicais.