La scoperta scientifica non richiede sempre un laboratorio ad alta tecnologia o un budget elevato. Molte persone hanno un laboratorio di prim'ordine direttamente a casa propria:la cucina.
La cucina offre molte opportunità per vedere ed esplorare ciò che i fisici chiamano materia soffice e fluidi complessi. Fenomeni quotidiani, come i Cheerios che si raggruppano nel latte o gli anelli lasciati quando le gocce di caffè evaporano, hanno portato a scoperte all'intersezione tra fisica e chimica e ad altre collaborazioni di buon gusto tra scienziati e fisici del settore alimentare.
Due studenti, Sam Christianson e Carsen Grote, e io abbiamo pubblicato un nuovo studio su Nature Communications nel maggio 2024 che si tuffa in un'altra osservazione in cucina. Abbiamo studiato come gli oggetti possono levitare nei fluidi gassati, un fenomeno che viene bizzarramente chiamato uvetta danzante.
Lo studio ha esplorato come oggetti come l'uvetta possano muoversi ritmicamente su e giù nei fluidi gassati per diversi minuti, anche fino a un'ora.
Un thread Twitter di accompagnamento sulla nostra ricerca è diventato virale, accumulando oltre mezzo milione di visualizzazioni in soli due giorni. Perché questo particolare esperimento ha catturato l'immaginazione di così tante persone?
L'acqua frizzante e altre bevande gassate producono bollicine perché contengono più gas di quanto il fluido possa supportare:sono "supersaturati" di gas. Quando apri una bottiglia di champagne o una bibita analcolica, la pressione del fluido diminuisce e le molecole di CO₂ iniziano a fuggire nell'aria circostante.
Di solito le bolle non si formano spontaneamente in un fluido. Un fluido è composto da molecole a cui piace restare unite, quindi le molecole al confine del fluido sono un po' infelici. Ciò si traduce in tensione superficiale, una forza che cerca di ridurre l'area superficiale. Poiché le bolle aggiungono area superficiale, la tensione superficiale e la pressione del fluido normalmente fanno scomparire eventuali bolle in formazione.
Ma le zone ruvide sulla superficie di un contenitore, come le incisioni su alcuni bicchieri di champagne, possono proteggere le nuove bolle dagli effetti schiaccianti della tensione superficiale, offrendo loro la possibilità di formarsi e crescere.
Le bolle si formano anche all'interno delle microscopiche fibre di stoffa tubolari lasciate dopo aver pulito un bicchiere con un asciugamano. Le bolle crescono costantemente in questi tubi e, una volta che sono abbastanza grandi, si staccano e fluttuano verso l'alto, trasportando il gas fuori dal contenitore.
Ma come sanno molti appassionati di champagne che mettono la frutta nei bicchieri, le incisioni sulla superficie e le piccole fibre di stoffa non sono gli unici luoghi in cui si possono formare le bollicine. Anche l'aggiunta di un piccolo oggetto come un'uvetta o un'arachide a una bevanda frizzante consente la formazione di bolle. Questi oggetti immersi fungono da nuove superfici allettanti per le molecole opportunistiche come la CO₂ che si accumulano e formano bolle.
E una volta che sull'oggetto sono cresciute abbastanza bolle, è possibile eseguire un atto di levitazione. Insieme, le bolle possono sollevare l'oggetto fino alla superficie del liquido. Una volta in superficie, le bolle scoppiano, facendo cadere l'oggetto. Il processo poi ricomincia da capo, in un movimento periodico di danza verticale.
L'uvetta è particolarmente brava a ballare. Ci vogliono solo pochi secondi perché si formino abbastanza bolle sulla superficie rugosa di un'uvetta prima che inizi a salire verso l'alto:le bolle hanno più difficoltà a formarsi su superfici più lisce. Quando viene immersa nell'acqua frizzante appena aperta, un'uvetta può ballare un vigoroso tango per 20 minuti e poi un valzer più lento per un'altra ora circa.
Abbiamo scoperto che la rotazione, o rotazione, era di fondamentale importanza per indurre oggetti di grandi dimensioni a ballare. Le bolle che si aggrappano al fondo di un oggetto possono mantenerlo in alto anche dopo che scoppiano le bolle superiori. Ma se l'oggetto inizia a girare anche solo leggermente, le bolle sottostanti fanno girare il corpo ancora più velocemente, il che si traduce in un numero ancora maggiore di bolle che scoppiano in superficie. E prima queste bolle verranno rimosse, prima l'oggetto potrà tornare alla sua danza verticale.
Gli oggetti piccoli come l'uvetta non ruotano tanto quanto gli oggetti più grandi, ma invece ruotano, oscillando rapidamente avanti e indietro.
Nell’articolo, abbiamo sviluppato un modello matematico per prevedere quanti viaggi verso la superficie ci aspetteremmo che facesse un oggetto come un’uvetta. In un esperimento, abbiamo posizionato una sfera stampata in 3D che fungeva da modello di uvetta in un bicchiere di acqua frizzante appena aperta. La sfera ha viaggiato dal fondo del contenitore verso l'alto più di 750 volte in un'ora.
Il modello incorporava il tasso di crescita delle bolle, nonché la forma, le dimensioni e la ruvidità della superficie dell'oggetto. Ha inoltre preso in considerazione la rapidità con cui il fluido perde la carbonatazione in base alla geometria del contenitore e, in particolare, al flusso creato da tutta quell'attività di bolle.
Il modello matematico ci ha aiutato a determinare quali forze influenzano maggiormente la danza dell'oggetto. Ad esempio, la resistenza del fluido sull'oggetto si è rivelata relativamente poco importante, ma il rapporto tra la superficie dell'oggetto e il suo volume era fondamentale.
Guardando al futuro, il modello fornisce anche un modo per determinare alcune quantità difficili da misurare utilizzando quelle più facilmente misurabili. Ad esempio, semplicemente osservando la frequenza di danza di un oggetto, possiamo imparare molto sulla sua superficie a livello microscopico senza dover vedere direttamente i dettagli.
Questi risultati, però, non sono interessanti solo per gli amanti delle bevande gassate. Anche i fluidi sovrasaturi esistono in natura:il magma ne è un esempio.
Quando il magma di un vulcano si avvicina alla superficie terrestre, si depressurizza rapidamente e i gas disciolti dall'interno del vulcano si precipitano verso l'uscita, proprio come la CO₂ nell'acqua gassata. Questi gas in fuga possono formarsi in grandi bolle ad alta pressione ed emergere con una forza tale da provocare un'eruzione vulcanica.
Il particolato nel magma potrebbe non danzare allo stesso modo dell'uvetta nell'acqua gassata, ma piccoli oggetti nel magma possono influenzare il modo in cui si svolgono questi eventi esplosivi.
Gli ultimi decenni hanno visto anche un’esplosione di tipo diverso:migliaia di studi scientifici dedicati alla materia attiva nei fluidi. Questi studi esaminano cose come i microrganismi che nuotano e l'interno delle nostre cellule piene di liquido.
La maggior parte di questi sistemi attivi non esistono nell’acqua ma in fluidi biologici più complessi che contengono l’energia necessaria per produrre attività. I microrganismi assorbono i nutrienti dal fluido che li circonda per continuare a nuotare. I motori molecolari trasportano il carico lungo un'autostrada nelle nostre cellule estraendo l'energia vicina sotto forma di ATP dall'ambiente.
Lo studio di questi sistemi può aiutare gli scienziati a saperne di più su come funzionano le cellule e i batteri nel corpo umano e su come la vita su questo pianeta si è evoluta fino allo stato attuale.
Nel frattempo, un fluido stesso può comportarsi in modo strano a causa della diversa composizione molecolare e dei corpi che si muovono al suo interno. Molti nuovi studi hanno affrontato il comportamento dei microrganismi in fluidi come il muco, ad esempio, che si comporta sia come un fluido viscoso che come un gel elastico. Gli scienziati hanno ancora molto da imparare su questi sistemi altamente complessi.
Anche se l’uvetta nell’acqua gassata sembra abbastanza semplice se paragonata ai microrganismi che nuotano nei fluidi biologici, offre un modo accessibile per studiare caratteristiche generiche in contesti più impegnativi. In entrambi i casi, i corpi estraggono energia dal loro complesso ambiente fluido influenzandolo allo stesso tempo, e ne derivano comportamenti affascinanti.
Nuove conoscenze sul mondo fisico, dalla geofisica alla biologia, continueranno a emergere da esperimenti su larga scala e forse direttamente in cucina.
