A Ciência da Mula Francis

p>Há uma experiência caseira popular para produzir um plasma. Corta-se uma uva ao meio e colocam-se as duas metades juntas num forno de microondas. É conveniente colocá-los perto da borda da bandeja rotativa. Também pode ser feito com duas uvas inquebráveis perto uma da outra. Tenha cuidado, especialmente se houver crianças à sua frente, todas as experiências devem ser supervisionadas por adultos. Porque é que isto acontece? A uva actua como uma cavidade ressonante para as micro-ondas (ondas centimétricas). Quando duas cavidades esféricas ressonantes (ou hemisféricas) são reunidas, o campo electromagnético concentra-se na região milimétrica que as separa (cujo tamanho é menor do que o comprimento de onda). Isto ioniza o sódio e potássio na pele das uvas, desencadeando a produção de plasma.

Esta nova explicação deste curioso fenómeno é publicada em PNAS. Em muitos sites pode ler-se que é necessário que haja pele entre as duas uvas para actuar como uma espécie de fio eléctrico; por conseguinte, recomenda-se cortar uma uva em duas metades com cuidado para as manter coladas. Contudo, isto não é necessário, como mostram as experiências com bolas de hidrogel de tamanho centimétrico, que não têm pele, a menos de três milímetros de distância. Vídeos com câmaras térmicas de alta velocidade foram confrontados com os resultados de simulações de computador.

O novo resultado faz lembrar muito os plasmões de superfície que aparecem entre nanoesferas metálicas; alguns de vós podem lembrar-se do “beijo quântico” entre nanoesferas de ouro por Javier Aizpurua et al. in Nature (“Plasmon ressonances and electron tunneling effect between two gold spheres that “kiss”,” LCMF, 08 Nov 2012). A propósito, recomendo a visualização do vídeo do youtube abaixo, que compila vídeos das informações suplementares no jornal de Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, Aaron D. Slepkov, “Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers,” PNAS (19 Fev 2019), doi: 10.1073/pnas.1818350116. Um tema tão marcante causou alguma agitação nos meios de comunicação em espanhol, como “La explicación de por qué las uvas generan plasma en el microondas”, Agencia SINC, 19 Fev 2019 (aconselhando que “no conviene hacerlo en casa ni en el colegio sin supervisión”).

Este vídeo começa com o plasma criado entre dois hemisférios de uva mantidos juntos por um pequeno pedaço de pele (a versão mais tradicional da experiência). Depois a experiência é repetida com duas uvas inteiras (não cortadas) juntas formando um dímero, que após o aparecimento do plasma se separa ligeiramente. Mais tarde a experiência é mostrada com contas de hidrogel, de tamanho semelhante ao das uvas, que um minuto antes da experiência foram introduzidas numa salmoura (NaCl); este último passo é fundamental para a produção do plasma, mostrando que o plasma é formado por iões da pele da uva. Finalmente, são mostradas imagens de câmara de alta velocidade de ambas as uvas (1000 fps) e contas de hidrogel (2000 fps); são observadas oscilações mecânicas induzidas pelo aparecimento do plasma.

A produção de plasma é concentrada no ponto de contacto (ou no ponto mais próximo entre as duas esferas quando estas estão separadas). Nesse momento são atingidas temperaturas de cerca de ≈85 °C. Para demonstrar isto, o papel térmico pode ser utilizado na configuração curiosa mostrada nesta fotografia. Quinze camadas de papel térmico foram utilizadas. A imagem mostra o resultado após três segundos de irradiação de microondas. Apenas se observa um ponto quente (de tamanho decrescente à medida que as camadas se afastam do ponto de contacto.

Pelo caminho, também foram realizadas experiências com ovos de codorniz (24 mm de diâmetro no eixo menor). Nenhum plasma é visível a olho nu, pois são observados pontos quentes de papel térmico semelhantes à experiência das uvas.

Esta figura ilustra como os modos ressonantes nas uvas cortadas (hemisférios) mudam à medida que são abordadas. À esquerda está a imagem óptica; no centro está a imagem termográfica (obtida menos de dez segundos após a micro ondulação das uvas durante três segundos; à direita estão as previsões obtidas com simulações computorizadas da energia dos modos usando o método dos elementos finitos (FEM via COMSOL Multiphysics).

A vantagem das simulações por computador é que permitem medições altamente precisas (computacionais). Esta figura mostra a absorção do campo eléctrico nos modos de irradiação com ondas planas a 2,45 GHz propagando-se no sentido z e polarizada no eixo x. Na parte superior assumimos um coeficiente de absorção ϵ2=0,2, muito inferior ao da água, e na parte inferior o da água, ϵ2=10 (nas simulações em computador utilizámos como constante dieléctrica da água ϵ = 79 + 10 i). À esquerda, duas esferas em ressonância (com raio r = 9,5 mm), no centro, ligeiramente fora de ressonância (r = 10 mm) e, à direita, muito mais longe da ressonância (r = 24 mm). A imagem inferior direita mostra muito bem o campo concentrado entre as duas esferas (embora para explicar a experiência seja a imagem menos relevante).

Em resumo, um trabalho muito interessante para professores de física e, especialmente, para os de física computacional. Se ousarem, podem combinar medições experimentais com simulações numéricas por computador. Sem dúvida que os seus alunos irão apreciá-lo.

Este vídeo explica muito bem o efeito. O efeito do índice de refracção da água (~10) reduz o comprimento de onda de microondas (~12 cm) a um tamanho comparável ao da uva (~1,2 cm); assim a uva comporta-se como uma cavidade ressonante.

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