Você não tem que se preocupar com um refrigerante que transborda espontaneamente a sua borda ou que dispara para fora da palha da qual você está tentando beber. Isso porque os refrigerantes não são nada como o hélio superfluido mostrado neste vídeo.
Os pesquisadores sabem há décadas que se você resfriar o hélio líquido apenas alguns graus abaixo de seu ponto de ebulição de -452 graus Fahrenheit (-269 graus Celsius), ele será capaz de fazer coisas que outros fluidos não conseguem, como driblar através de fissuras finas de moléculas, subir e sobre os lados de um prato, e permanecer imóvel quando seu recipiente é girado.
Não mais um mero líquido, o hélio tornou-se um superfluido – um líquido que flui sem fricção. “Se você colocar um copo com um líquido circulando e voltar 10 minutos depois, é claro que ele parou de se mover”, diz John Beamish, um físico experimental da Universidade de Alberta, em Edmonton. Os átomos do líquido vão colidir uns com os outros e diminuir a velocidade. “Mas se você fizesse isso com hélio a baixa temperatura e voltasse um milhão de anos depois”, diz ele, “ainda estaria se movendo”
Como muitos outros experimentos de física que o fazem ir-“Huh?”-superfluidez flui das regras contraintuitivas da mecânica quântica. Mas ao contrário de outras coisas quânticas, o comportamento estranho do hélio superfluido é visível a olho nu.
Um sinal precoce do comportamento estranho do hélio foi observado em 1911 pelo físico holandês e Prêmio Nobel de Física de 1913, Heike Kamerlingh Onnes, um mestre da refrigeração que foi o primeiro a liquefazer o hélio. Onnes descobriu que o hélio (tecnicamente, o isótopo hélio 4) começou a conduzir rapidamente o calor abaixo de -455,67 graus F (-270,92 graus C), também conhecido como o ponto lambda.
Não foi até 1938 que o físico russo Pyotr Kapitsa e, independentemente, a dupla britânica de John Allen e Don Misener mediram o fluxo de hélio abaixo dessa temperatura através de um par de discos de vidro ligados a um êmbolo e um tubo de vidro longo e fino, respectivamente. A viscosidade era tão baixa que Kapitsa, que ganhou seu próprio Prêmio Nobel pelo trabalho, cunhou o termo “superfluido” para descrevê-lo – após “supercondutor”, o termo para um material que conduz correntes elétricas muito altas sem resistência.
Key ao efeito é a habilidade única do hélio de permanecer líquido até zero absoluto (-459,67 graus F, ou -273,15 graus C), a temperatura na qual os átomos teoricamente param de se mover. Quando a maioria dos líquidos é resfriada, a leve atração entre os átomos do fluido finalmente começa a superar as vibrações de calor, e as partículas se instalam em uma ordem regular, ou seja, um sólido. Mas os átomos de hélio são tão leves e fracos uns para os outros que, mesmo quando os movimentos atómicos normais se acalmam, os átomos abanam com um movimento de ponto zero, um ligeiro impulso conferido pelo princípio da incerteza quântica. Assim, eles nunca se fixam no estado sólido.
A liquidez do hélio a baixas temperaturas permite realizar uma transformação chamada condensação de Bose-Einstein, na qual partículas individuais se sobrepõem até se comportarem como uma grande partícula. Os átomos agindo em uníssono não se comportam como átomos individuais. “Se você marchar em uníssono, não colide um com o outro”, diz Moses Chan, que estuda superfluidade na Universidade Estadual da Pensilvânia em University Park.
Os pesquisadores gostam de pensar em hélio superfluido como uma mistura de dois fluidos, um normal e um superfluido. Experimentos diferentes fazem emergir os caracteres contrastantes das duas frações. O “experimento” mais simples é ver como um recipiente cheio de hélio líquido de repente produz um vazamento enquanto ele é resfriado abaixo do ponto lambda e a fração superfluida sem atrito começa a derramar através de fissuras microscópicas que a fração líquida normal não pode entrar. (“Super-leaks” têm sido a banalidade dos cientistas que trabalham com hélio líquido desde os primeiros dias, diz Beamish). Mas mexa o mesmo hélio como o café e a fração líquida normal resistirá ao movimento, dando viscosidade à mistura superfluida, afinal.
Quando a temperatura cai, a fração superfluida absorve uma parte maior da mistura. Na experiência de campo, os pesquisadores medem a proporção das duas frações colocando uma amostra em um recipiente metálico cilíndrico suspenso por um fio. Quando eles dão uma torção ao fio, o cilindro vai girar de uma forma e depois de outra. Mas apenas a fração normal girará com o cilindro, devido ao atrito entre ele e as paredes do cilindro; a porção supérflua corta diretamente através do fluido normal e permanece imóvel. Conforme a fração supérflua aumenta, o cilindro gira mais rápido, como se o cilindro estivesse perdendo peso (tecnicamente, inércia).
A dupla natureza do hélio supérfluo está novamente em ação quando ele sobe as paredes de um recipiente. (Assista a este vídeo do efeito no YouTube.) Qualquer líquido irá revestir os lados de um prato no qual ele se senta – novamente com um leve atrativo entre os átomos – mas o atrito interno do líquido limita até onde o revestimento pode se espalhar. No hélio superfluido, o filme sem atrito desliza sobre todo o recipiente, criando uma espécie de arena através da qual o superfluido pode fluir. Se o líquido tiver algum lugar para cair depois de sair do prato, ele vai pingar do fundo do recipiente até que sifone todo o superfluido reunido acima dele.
O mesmo princípio está subjacente a outra famosa demonstração na qual o superfluido sai rapidamente de um tubo de vidro aberto e aquecido, embalado com pó fino no fundo. Chamada de fonte do superfluido, ela ocorre porque o superfluido fora do tubo corre para dentro para resfriar o superfluido que foi aquecido pelo interior do tubo. (Diz-se que Allen, o co-descobridor do superfluido, descobriu o efeito depois de ter brilhado uma lanterna de bolso sobre um tubo de vidro de hélio líquido.)
O trabalho sobre o hélio superfluido já rendeu três Prémios Nobel e pode ainda ganhar mais. Em 2004, Chan da Penn State e Eun-Seong Kim rodaram um anel cheio de hélio sólido a 26 atmosferas de pressão e descobriram que à medida que arrefeciam o hélio abaixo da temperatura crítica, a frequência de rotação aumentava, tal como acontece com o hélio líquido. Meia dúzia de laboratórios, incluindo o de Beamish, estão estudando o efeito “supersólido”, mas os pesquisadores ainda não têm certeza de quais elementos do sólido se condensariam em um único estado de Bose-Einstein.
O truque agora é ver se o supersólido pode produzir o equivalente a super vazamentos ou outros super-efeitos conhecidos. “Se outras propriedades únicas pudessem ser mostradas de forma convincente”, diz Beamish, “todos concordariam que é uma nova fase da matéria”.
