La recherche scientifique commence souvent par le « pourquoi ».

Sans s'attendre à faire plus que répondre à une question posée par une vidéo YouTube, Les chercheurs de Virginia Tech ont peut-être changé la façon dont les gens perçoivent le processus de congélation.

Jonathan Boreyko, chercheur principal de Virginia Tech, un professeur adjoint en génie mécanique au Collège d'ingénierie, et ses étudiants chercheurs regardaient une vidéo YouTube d'une bulle de savon gelant. La vue fascinante des cristaux de glace flottant autour de la bulle a amené les ingénieurs à se demander ce qui a causé le phénomène.

Boreyko et les étudiants chercheurs Farzad Ahmadi et Saurabh Nath, tous deux étudiants diplômés en génie mécanique, et Christian Kingett, un chercheur de premier cycle en sciences de l'ingénieur et mécanique diplômé en 2019, a mené des recherches bibliographiques et a constaté que personne n'avait jamais étudié comment les films de savon ou les bulles gèlent.

Les résultats de la requête de l'équipe, qui a commencé comme un simple "pourquoi, " a été publié dans la revue Communication Nature , expliquer la physique derrière les causes des cristaux de glace qui sautent dans la bulle et tourbillonnent, changeant ainsi les perceptions sur le processus de congélation.

"Nous avons commencé par congeler une bulle au labo, à l'aide d'un substrat congelé, " expliqua Boreyko. " Ce que nous avons découvert, c'est que la bulle gèlerait du bas jusqu'à un certain point, puis s'arrêterait. Nous n'avons pas eu ce joli « effet boule à neige » que nous avons vu sur la vidéo. Mais, Farzad a créé un joli modèle qui peut prédire avec précision où le front de gel s'arrêtera en fonction de la taille de la bulle et de la température de l'air."

Parce que la coquille d'une bulle est microscopiquement mince, la température de l'air chaud dans le laboratoire a empêché la phase froide de geler complètement la bulle. Passer à un congélateur-chambre, l'équipe a retenté l'expérience, croyant qu'ils découvriraient comment les cristaux de glace flottants se sont formés.

"Nous ne l'avons pas vu dans le congélateur, Soit, en premier, " dit Boreyko. " Mais nous avons essayé à nouveau de déposer la bulle sur de la glace au lieu d'un substrat sec, et c'est là que nous avons vu ce que nous cherchions."

À moins 20 degrés Celsius et en utilisant un substrat de glace, la bulle s'est rapidement remplie de cristaux flottants qui ont accéléré la congélation complète de la bulle, et a ouvert les yeux du chercheur.

"Quand vous déposez la bulle sur un substrat glacé, la bulle commence à geler, qui dégage de la chaleur, " dit Ahmadi. " Le fond de la bulle, dans ce cas, devient plus chaud que le reste de la bulle - c'est un réchauffement induit par le gel."

L'énergie moléculaire libérée lorsque les molécules d'eau fusionnent en un réseau solide compact crée une différence de température d'environ 14 degrés – moins 20 au sommet de la bulle et moins 6 degrés à la base gelée.

"Le gradient de température de haut en bas a modifié la tension superficielle, " A déclaré Ahmadi. "La tension a créé un flux du chaud vers le froid."

Ce flux est connu sous le nom de Marangoni Flow. Quand il se produit dans les bulles de congélation, le flux déchire les cristaux de glace du fond de la bulle et les fait tourbillonner autour de la coquille liquide où ils s'agrandissent jusqu'à ce que toute la bulle soit gelée.

"Auparavant, nous pensions que la vitesse à laquelle nous pouvions geler quelque chose dépendait de la vitesse à laquelle le front de gel pouvait croître, " a déclaré Boreyko. "Cela nous montre qu'un flux Maragoni induit par le gel créera des centaines de fronts de gel supplémentaires à partir des cristaux de glace retirés du fond. Donc, nous avons réalisé que ce n'est pas seulement la vitesse à laquelle un front grandit, mais dans des cas comme notre bulle, vous pouvez manipuler le système pour que des centaines de fronts de gel fonctionnent ensemble pour geler quelque chose beaucoup plus rapidement."