L'indagine scientifica spesso inizia con il "perché".

Senza aspettarsi di fare altro che rispondere a una domanda posta da un video di YouTube, I ricercatori della Virginia Tech potrebbero aver cambiato il modo in cui le persone pensano al processo di congelamento.

Il ricercatore capo della Virginia Tech Jonathan Boreyko, un assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering, e i suoi studenti ricercatori stavano guardando un video di YouTube sul congelamento di una bolla di sapone. La vista ipnotizzante dei cristalli di ghiaccio che galleggiano intorno alla bolla ha fatto chiedere agli ingegneri che cosa ha causato il fenomeno.

Boreyko e gli studenti ricercatori Farzad Ahmadi e Saurabh Nath, entrambi laureati in ingegneria meccanica, e Christian Kingett, un ricercatore universitario in scienze ingegneristiche e meccaniche laureato nel 2019, ha condotto ricerche sulla letteratura e ha scoperto che nessuno aveva mai studiato come si congelano le pellicole di sapone o le bolle.

I risultati della query del team, che iniziò come un semplice "perché, " è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , spiegando la fisica dietro ciò che fa sì che i cristalli di ghiaccio saltino nella bolla e roteino intorno, cambiando così le percezioni sul processo di congelamento.

"Abbiamo iniziato congelando una bolla in laboratorio, utilizzando un substrato congelato, " Boreyko ha spiegato. "Quello che abbiamo scoperto è che la bolla si sarebbe congelata dal basso fino a un certo punto e poi si sarebbe fermata. Non abbiamo ottenuto quel delizioso "effetto globo di neve" che abbiamo visto nel video. Ma, Farzad ha realizzato un bel modello in grado di prevedere con precisione dove si fermerà il fronte di congelamento in base alle dimensioni della bolla e alla temperatura dell'aria".

Poiché il guscio di una bolla è microscopicamente sottile, la temperatura dell'aria calda nel laboratorio ha impedito alla fase fredda di congelare completamente la bolla. Passando a un congelatore walk-in, il team ha riprovato l'esperimento, credendo che avrebbero scoperto come si sono formati i cristalli di ghiaccio galleggianti.

"Non l'abbiamo visto nel congelatore, o, All'inizio, " ha detto Boreyko. "Ma abbiamo provato di nuovo a depositare la bolla sul ghiaccio invece che su un substrato asciutto, ed è lì che abbiamo visto quello che stavamo cercando."

A meno 20 gradi Celsius e utilizzando un substrato di ghiaccio, la bolla si riempì rapidamente di cristalli galleggianti che accelerarono il completo congelamento della bolla, e aprì gli occhi del ricercatore.

"Quando si deposita la bolla su un substrato ghiacciato, la bolla inizia a congelare, che sprigiona calore, " disse Ahmadi. "Il fondo della bolla, in questo caso, diventa più caldo del resto della bolla:è il riscaldamento indotto dal congelamento."

L'energia molecolare rilasciata quando le molecole d'acqua si fondono insieme in un reticolo solido compatto ha creato una differenza di temperatura di circa 14 gradi, meno 20 nella parte superiore della bolla e meno 6 gradi alla base congelata.

"Il gradiente di temperatura dall'alto verso il basso ha cambiato la tensione superficiale, " Ahmadi ha detto. "La tensione ha creato un flusso dal caldo verso il freddo".

Questo flusso è noto come Marangoni Flow. Quando si verifica nelle bolle di congelamento, il flusso strappa i cristalli di ghiaccio dal fondo della bolla e li fa vorticare attorno al guscio liquido dove si ingrandiscono fino a quando l'intera bolla è congelata.

"In precedenza pensavamo che la velocità con cui potevamo congelare qualcosa dipendesse dalla velocità con cui poteva crescere il fronte di congelamento, "Boreyko ha detto. "Questo ci mostra che un Maragoni Flow indotto dal congelamento creerà centinaia di fronti di congelamento aggiuntivi dai cristalli di ghiaccio rimossi dal fondo. Così, ci siamo resi conto che non è solo la velocità con cui cresce un fronte, ma in casi come la nostra bolla, puoi manipolare il sistema per avere centinaia di fronti di congelamento che lavorano insieme per congelare qualcosa molto più velocemente."