Estará errada uma previsão de Einstein?

O movimento Browniano é o movimento aleatório de partículas em suspensão num líquido ou num gás, resultante da colisão destas partículas com as moléculas do fluído. O botânico Escocês Robert Brown foi o primeiro cientista a estudar, em 1827, o movimento Browniano, observando ao microscópio grãos de pólen deslocando-se aleatoriamente em água. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo explicando que o movimento observado por Brown era é uma consequência do movimento térmico das moléculas de água. Esta explicação do movimento Browniano serviu como prova convincente da existência de átomos e moléculas (que na época era motivo de discussão), tendo sido confirmada experimentalmente por Jean Perrin em 1908.

A compreensão do movimento Browniano dá-nos uma visão íntima do mundo microscópico, permitindo-nos compreender como as substâncias interagem umas com as outras em diferentes escalas de tempo. No último século, estudar o movimento Browniano por técnicas convencionais foi um desafio considerável devido aos movimentos rápidos e aleatórios das partículas, que ocorrem em intervalos de tempo muito curtos, cerca de 10^-10 s (o chamado regime balístico). Uma vez que o movimento Browniano é extremamente sensível à variação da temperatura, a nanotermometria, medida da temperatura à nanoescala (uma escala de tamanhos um milhão de vezes mais pequena que um milímetro), é uma ferramenta poderosa para estudar este movimento.

Uma equipa liderada pelo Prof. Luís Carlos da Universidade de Aveiro (Departamento de Física & CICECO), Portugal, e pelo Prof. Xiaogang Liu da National University of Singapore (NUS) (Departamento de Química), Singapura, juntamente com investigadores da Universidade Nanjing Tech, China, acaba de mostrar que a medida da temperatura de nanofluídos, realizada através da emissão de luz (luminescência) pelas nanopartículas em suspensão, permite calcular a velocidade instantânea balística de nanopartículas com diferentes tamanhos e formas. Medir a velocidade instantânea de micro e nanopartículas é, no entanto, uma tarefa extremamente difícil, como concluiu Einstein num artigo de 1907: "devido à rápida randomização do movimento é impossível medir, na prática, a velocidade instantânea, pelo menos de partículas ultramicroscópicas". Ao lograr medir a velocidade instantânea de nanopartículas dispersas num líquido, o trabalho agora publicado mostra que Einstein não tinha razão.

A compreensão plena do movimento Browniano de partículas suspensas em fluídos tem um considerável impacto científico e tecnológico permitindo, por exemplo, perceber melhor como é que as nanopartículas alteram as propriedades térmicas dos fluídos (água, álcool ou óleos) onde estão suspensas. O aumento da condutividade térmica de nanofluídos (relativamente à condutividade térmica desses mesmos fluídos sem as nanopartículas), por exemplo, potencia o seu uso em processos de transferência de energia sob a forma de calor (refrigeração).  Melhorar estes processos de refrigeração desenvolvendo fluídos mais eficientes é um dos desafios tecnológicos mais importantes dos nossos dias, afetando inúmeras indústrias, incluindo a microeletrónica, dos transportes, de iluminação de estado sólido, e a nuclear (uma transferência de calor mais eficiente no sistema de arrefecimento da central nuclear de Fukushima Daiichi poderia ter evitado o desastre após o tsunami de 2011). Os nanofluídos são, atualmente, substitutos viáveis dos fluídos convencionais cujas propriedades térmicas são relativamente pobres, o que impede o desenvolvimento e a miniaturização de sistemas térmicos sustentáveis. A Comissão francesa de Energia Atómica e Energias Alternativas (CEA) estima que o uso de nanofluídos em processos de transferência de calor possa vir a gerar receitas anuais de cerca de 2 mil milhões de dólares. A técnica agora desenvolvida pode, ainda, ser estendida a sistemas biológicos, a fim de obter uma melhor compreensão dos mecanismos de transporte de calor ao nível celular.

C.D.S. Brites et al. “Instantaneous ballistic velocity of suspended Brownian nanocrystals measured by upconversion nanothermometry”. Nature Nanotechnology. (2016).
http://dx.doi.org/ 10.1038/nnano.2016.111