Uma bolha de sabão pousa sobre uma superfície gelada e começa a congelar. Pequenos cristais aparecem, crescem e circulam pela película curva, até se encontrarem e formarem uma casca de gelo. A cena lembra um globo de neve sendo agitado. Nesse caso, porém, o movimento acontece na finíssima camada líquida que envolve o ar.
Vídeos desse fenômeno levaram pesquisadores da Virginia Tech, nos Estados Unidos, a investigar o mecanismo. As primeiras tentativas no laboratório produziram outro resultado: o congelamento avançava pela parte inferior da bolha e parava antes de alcançar o topo. Foi preciso mudar as condições do experimento para reproduzir a circulação dos cristais vista nas filmagens.
O trabalho, publicado em 18 de junho de 2019 na Nature Communications, comparou dois ambientes. Em uma câmara fria, o ar e a superfície de apoio estavam aproximadamente a 18 graus Celsius abaixo de zero. Em outra montagem, a base permanecia congelada, mas o ar do laboratório estava perto da temperatura ambiente. Essa diferença alterou o comportamento da bolha.
Para entender o que acontece, vale lembrar que a água libera energia ao se transformar em gelo. Essa energia, chamada calor latente, aquece temporariamente a região onde o congelamento está ocorrendo. Na câmara fria, a parte inferior da bolha em solidificação ficava mais quente que o restante da película. Surgia, assim, uma diferença de temperatura ao longo da superfície.
A tensão superficial também varia com a temperatura. Ela está ligada às forças entre as moléculas na superfície de um líquido e ajuda a determinar sua forma. Quando regiões vizinhas apresentam tensões diferentes, esse desequilíbrio pode fazer o líquido escoar. O fenômeno recebe o nome de efeito Marangoni. No caso térmico observado nas bolhas, o fluxo seguia da região mais quente, com menor tensão superficial, para a mais fria, com maior tensão. Diferenças de composição também podem produzir esse tipo de movimento em outros sistemas.
Os pesquisadores observaram cristais sendo transportados pelo líquido e propuseram que o fluxo arrancava fragmentos muito pequenos da frente de congelamento na base. Há uma ressalva importante: o instante desse desprendimento não foi registrado diretamente, porque os fragmentos iniciais seriam pequenos demais para a resolução usada. A explicação se apoia na sequência observada, em experimentos de controle e em cálculos físicos.
À medida que cresciam, os cristais espalhados pela película criavam vários pontos de solidificação. Eles acabavam se unindo, completando o congelamento. Em bolhas de tamanho centimétrico, a transformação ocorreu na escala de dezenas de segundos.
Já no laboratório com ar mais quente, a camada estreita de líquido e gelo tinha dificuldade para transferir calor até a base fria. Muitas bolhas ficavam parcialmente congeladas, com uma cúpula líquida no alto. O tamanho da bolha e as temperaturas determinavam o resultado. Houve também congelamento completo de bolhas muito pequenas sobre uma base suficientemente fria, mostrando por que uma regra simples baseada apenas na temperatura do apoio seria insuficiente.
O efeito Marangoni interessa a pesquisas sobre evaporação, transferência de calor e resfriamento de equipamentos, inclusive em experimentos espaciais. A bolha oferece uma maneira especialmente visível de acompanhar essa física: conforme a água muda de estado, ela modifica a temperatura, movimenta o líquido e altera o próprio caminho do congelamento. Um vídeo de poucos segundos pode reunir todos esses processos.
Fontes
Ahmadi et al. - How soap bubbles freeze
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10021-6
Virginia Tech - Freezing bubbles viral video inspired research published
https://www.eurekalert.org/news-releases/496673
NASA - Marangoni Convection
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20000021513/downloads/20000021513.pdf
ESA - Marangoni experiment
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/11/Marangoni_experiment