La découverte scientifique ne nécessite pas toujours un laboratoire de haute technologie ou un budget important. De nombreuses personnes disposent d'un laboratoire de premier ordre chez elles :leur cuisine.
La cuisine offre de nombreuses possibilités de visualiser et d'explorer ce que les physiciens appellent la matière molle et les fluides complexes. Des phénomènes quotidiens, tels que les Cheerios qui s'agglutinent dans le lait ou les anneaux laissés lorsque des gouttes de café s'évaporent, ont conduit à des découvertes à l'intersection de la physique et de la chimie et à d'autres collaborations de bon goût entre scientifiques de l'alimentation et physiciens.
Deux étudiants, Sam Christianson et Carsen Grote, et moi-même avons publié une nouvelle étude dans Nature Communications. en mai 2024 qui plonge dans une autre observation de cuisine. Nous avons étudié comment des objets peuvent léviter dans des fluides gazeux, un phénomène que l'on appelle de manière fantaisiste sous le nom de raisins secs dansants.
L'étude a exploré comment des objets tels que des raisins secs peuvent monter et descendre de manière rythmée dans des fluides gazeux pendant plusieurs minutes, voire une heure.
Un fil Twitter accompagnant notre recherche est devenu viral, recueillant plus d'un demi-million de vues en seulement deux jours. Pourquoi cette expérience particulière a-t-elle captivé l'imagination de tant de personnes ?
L'eau gazeuse et les autres boissons gazeuses pétillent de bulles car elles contiennent plus de gaz que le liquide ne peut en supporter :elles sont « sursaturées » en gaz. Lorsque vous ouvrez une bouteille de champagne ou une boisson gazeuse, la pression du fluide chute et les molécules de CO₂ commencent à s'échapper dans l'air ambiant.
Les bulles ne se forment généralement pas spontanément dans un fluide. Un fluide est composé de molécules qui aiment se coller les unes aux autres, donc les molécules situées à la frontière du fluide sont un peu mécontentes. Il en résulte une tension superficielle, une force qui cherche à réduire la surface. Étant donné que les bulles ajoutent de la surface, la tension superficielle et la pression du fluide font normalement disparaître toutes les bulles en formation.
Mais les aspérités sur la surface d'un récipient, comme les gravures de certains verres à champagne, peuvent protéger les nouvelles bulles des effets écrasants de la tension superficielle, leur offrant ainsi une chance de se former et de croître.
Des bulles se forment également à l’intérieur des fibres microscopiques en forme de tube laissées après avoir essuyé un verre avec une serviette. Les bulles se développent régulièrement dans ces tubes et, une fois qu'elles sont suffisamment grosses, se détachent et flottent vers le haut, transportant le gaz hors du conteneur.
Mais comme le savent de nombreux amateurs de champagne qui mettent des fruits dans leurs verres, les gravures en surface et les petites fibres de tissu ne sont pas les seuls endroits où des bulles peuvent se former. L'ajout d'un petit objet comme un raisin sec ou une cacahuète à une boisson pétillante permet également la croissance des bulles. Ces objets immergés agissent comme de nouvelles surfaces séduisantes permettant aux molécules opportunistes comme le CO₂ de s'accumuler et de former des bulles.
Et une fois qu'un nombre suffisant de bulles se sont développées sur l'objet, un acte de lévitation peut être effectué. Ensemble, les bulles peuvent soulever l'objet jusqu'à la surface du liquide. Une fois à la surface, les bulles éclatent, relâchant l'objet vers le bas. Le processus recommence alors, dans un mouvement de danse vertical périodique.
Les raisins secs sont particulièrement bons danseurs. Il ne faut que quelques secondes pour qu'un nombre suffisant de bulles se forment sur la surface ridée d'un raisin sec avant qu'il ne commence à monter. Les bulles ont plus de mal à se former sur des surfaces plus lisses. Lorsqu'il est plongé dans de l'eau gazeuse fraîchement ouverte, un raisin sec peut danser un tango vigoureux pendant 20 minutes, puis une valse plus lente pendant environ une heure.
Nous avons constaté que la rotation, ou rotation, était d’une importance cruciale pour amener de gros objets à danser. Les bulles qui s'accrochent au bas d'un objet peuvent le maintenir en l'air même après l'éclatement des bulles du haut. Mais si l’objet commence à tourner ne serait-ce qu’un petit peu, les bulles en dessous font tourner le corps encore plus vite, ce qui entraîne encore plus de bulles éclatant à la surface. Et plus tôt ces bulles seront supprimées, plus vite l'objet pourra reprendre sa danse verticale.
Les petits objets comme les raisins secs ne tournent pas autant que les objets plus grands, mais au lieu de cela, ils se tordent, vacillant rapidement d'avant en arrière.
Dans cet article, nous avons développé un modèle mathématique pour prédire le nombre de voyages à la surface que nous attendrions d'un objet comme un raisin sec. Dans une expérience, nous avons placé une sphère imprimée en 3D qui faisait office de modèle de raisin sec dans un verre d’eau gazeuse fraîchement ouvert. La sphère a voyagé du bas du conteneur vers le haut plus de 750 fois en une heure.
Le modèle intègre le taux de croissance des bulles ainsi que la forme, la taille et la rugosité de la surface de l'objet. Il a également pris en compte la rapidité avec laquelle le fluide perd sa carbonatation en fonction de la géométrie du récipient, et en particulier du flux créé par toute cette activité bouillonnante.
Le modèle mathématique nous a aidé à déterminer quelles forces influencent le plus la danse de l'objet. Par exemple, la traînée du fluide sur l'objet s'est avérée relativement peu importante, mais le rapport entre la surface de l'objet et son volume était critique.
En ce qui concerne l’avenir, le modèle fournit également un moyen de déterminer certaines quantités difficiles à mesurer en utilisant des quantités plus faciles à mesurer. Par exemple, simplement en observant la fréquence de danse d'un objet, nous pouvons en apprendre beaucoup sur sa surface au niveau microscopique sans avoir à voir ces détails directement.
Ces résultats ne sont pas seulement intéressants pour les amateurs de boissons gazeuses. Les fluides sursaturés existent également dans la nature :le magma en est un exemple.
À mesure que le magma d'un volcan s'élève plus près de la surface de la Terre, il se dépressurise rapidement et les gaz dissous de l'intérieur du volcan se précipitent vers la sortie, tout comme le CO₂ dans l'eau gazeuse. Ces gaz qui s'échappent peuvent se former en grosses bulles à haute pression et émerger avec une telle force qu'une éruption volcanique s'ensuit.
Les particules présentes dans le magma ne dansent peut-être pas de la même manière que les raisins secs dans l'eau gazeuse, mais de minuscules objets présents dans le magma peuvent affecter le déroulement de ces événements explosifs.
Les dernières décennies ont également vu une éruption d’un autre type :des milliers d’études scientifiques consacrées à la matière active dans les fluides. Ces études examinent des éléments tels que les micro-organismes nageurs et l'intérieur de nos cellules remplies de liquide.
La plupart de ces systèmes actifs n’existent pas dans l’eau mais dans des fluides biologiques plus complexes qui contiennent l’énergie nécessaire pour produire une activité. Les micro-organismes absorbent les nutriments du liquide qui les entoure pour continuer à nager. Les moteurs moléculaires transportent des marchandises le long d'une autoroute dans nos cellules en extrayant l'énergie à proximité sous forme d'ATP de l'environnement.
L'étude de ces systèmes peut aider les scientifiques à en apprendre davantage sur le fonctionnement des cellules et des bactéries du corps humain et sur la façon dont la vie sur cette planète a évolué jusqu'à son état actuel.
Pendant ce temps, un fluide lui-même peut se comporter étrangement en raison de sa composition moléculaire diversifiée et des corps qui s’y déplacent. De nombreuses nouvelles études ont porté sur le comportement des micro-organismes dans des fluides tels que le mucus, par exemple, qui se comporte à la fois comme un fluide visqueux et un gel élastique. Les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur ces systèmes très complexes.
Bien que les raisins secs dans l’eau gazeuse semblent assez simples comparés aux micro-organismes nageant dans des fluides biologiques, ils offrent un moyen accessible d’étudier les caractéristiques génériques dans ces contextes plus difficiles. Dans les deux cas, les corps extraient l'énergie de leur environnement fluide complexe tout en l'affectant, et des comportements fascinants s'ensuivent.
De nouvelles connaissances sur le monde physique, de la géophysique à la biologie, continueront d'émerger d'expériences sur table, et peut-être directement dans la cuisine.
