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La fisica delle bolle di champagne potrebbe aiutare a alimentare il futuro

Qualunque sia l'occasione, il pop di un tappo di Champagne significa il rilascio di pressione, sia per i festaioli che stanno per assorbire che per il liquido all'interno. L'apertura del flacone modifica la pressione sul liquido, permettendo all'anidride carbonica disciolta di fuoriuscire e creare il caratteristico scintillio nel bicchiere.

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Mentre le basi del perché le bolle di Champagne sono abbastanza conosciute, gli scienziati stanno ancora cercando di risolvere alcuni misteri legati alla formazione delle bolle. Forse sorprendentemente, le bolle nello Champagne ghiacciato si comportano in modo simile a quelle nell'acqua bollente utilizzata nelle turbine a vapore, così come le bolle in una varietà di applicazioni industriali.

"Le bolle sono molto comuni nella nostra vita di tutti i giorni", afferma Gérard Liger-Belair, un fisico dell'Università di Reims in Francia. "Svolgono un ruolo cruciale in molti processi naturali e industriali - in fisica, ingegneria chimica e meccanica, oceanografia, geofisica, tecnologia e persino medicina. Tuttavia, il loro comportamento è spesso sorprendente e, in molti casi, non è ancora del tutto compreso. "

Un mistero eccezionale è la rapidità con cui si formano bolle di liquidi di dimensioni diverse, qualcosa che potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare sistemi di caldaie più efficienti e migliorare la produzione di reattori a vapore. Utilizzando il potere del supercalcolo per simulare il liquido gorgogliante, i ricercatori in Giappone hanno ora confermato che tutto si riduce a una teoria matematica proposta negli anni '60.

"Questo è il primo passo per capire come appaiono le bolle e come interagiscono tra loro durante la formazione delle bolle [a] livello molecolare", afferma il co-autore dello studio Hiroshi Watanabe, un fisico dell'Università di Tokyo. I risultati appaiono questo mese nel Journal of Chemical Physics .

Nello Champagne e nell'acqua bollente, le bolle subiscono una trasformazione chiamata maturazione Ostwald, chiamata per il suo scopritore, il chimico tedesco del XIX secolo Wilhelm Ostwald. Ha notato che piccole particelle di un liquido o di un solido in una soluzione lasceranno il posto a quelle più grandi, perché le particelle più grandi sono più stabili dal punto di vista energetico.

Nel caso di una bolla, le molecole di liquido su una superficie più piccola sono meno stabili e tenderanno a staccarsi. Allo stesso tempo, le molecole saranno attratte dalle superfici stabili di bolle più grandi. Nel tempo, il numero di piccole bolle diminuisce e il numero di grandi bolle cresce, dando al liquido generale una consistenza più ruvida. "Dopo che sono apparse molte bolle al momento di stappare una Champagne [bottiglia], la popolazione di bolle inizia a diminuire", afferma Watanabe. "Le bolle più grandi diventano più grandi mangiando bolle più piccole e alla fine sopravviverà solo una bolla". Oltre a governare la formazione di bolle nella tua bevanda, la maturazione di Ostwald è dietro la trama sabbiosa del gelato ricongelato, perché favorisce la formazione di cristalli di ghiaccio più grandi quando la miscela fusa si solidifica.

Oltre al regno del cibo e delle bevande, la maturazione di Ostwald avviene in centrali elettriche dove le caldaie riscaldano l'acqua per raccogliere l'energia termica dal vapore. Tuttavia, la complessità di come si formano le bolle all'interno delle caldaie non è ben compresa, in parte perché è difficile ricreare la massa di bolle in gioco in un laboratorio.

Watanabe e colleghi dell'Università Kyusyu e dei laboratori RIKEN giapponesi si sono rivolti al computer K, uno dei supercomputer più veloci al mondo. Hanno creato un programma per simulare il comportamento di milioni di molecole virtuali all'interno di uno spazio virtuale limitato, in questo caso una scatola. Assegnando una velocità a ciascuna molecola, osservarono come si muovevano e formavano bolle. Il team ha scoperto che sono necessarie circa 10.000 molecole di liquido per formare una sola bolla, quindi hanno dovuto mappare il movimento di circa 700 milioni di molecole per capire come le bolle si sono comportate in massa. Ecco un'animazione di una versione ridotta delle loro simulazioni:

Bubbles3.gif Dopo la formazione di più bolle, la maturazione di Ostwald avviene fino a quando rimane una sola bolla. (H.Inaoka / RIKEN)

I modelli hanno aiutato il team a confermare che le bolle seguono un quadro matematico ideato negli anni '60 chiamato teoria di Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Inizialmente, la velocità con cui le molecole potrebbero passare dal liquido al gas regola la velocità della formazione di bolle. Questa trasformazione avviene sulla superficie della bolla, quindi quando il tasso di evaporazione accelera, la velocità con cui le molecole liquide possono raggiungere la superficie della bolla determina il tasso di formazione e crescita.

Watanabe paragona il rapporto con una fabbrica, in cui le macchine sostengono il processo di formazione delle bolle: “Se le prestazioni delle macchine in fabbrica sono scarse, il tasso di produzione della fabbrica è determinato dalle prestazioni delle macchine. Se le prestazioni delle macchine sono abbastanza buone, il tasso di produzione è determinato dalla fornitura di materiali di base. "

Nei tubi riscaldati di un sistema a turbina a gas, le bolle possono ridurre lo scambio di calore e causare usura quando il loro scoppio esercita una piccola forza sulla superficie metallica del tubo. La stessa cosa accade quando metti un'elica in acqua: le bolle si formano, scoppiano e danneggiano gradualmente le pale. Le turbine e le eliche sono state ottimizzate per ridurre gli effetti dannosi delle bolle, ma, sottolinea Watanabe, "approfondimenti sul comportamento delle bolle ci aiuteranno a trovare idee rivoluzionarie per migliorarle".

Oltre a favorire potenzialmente l'efficienza della centrale elettrica, Watanabe vede applicazioni per il lavoro in altri campi ricchi di bolle, come quelli che usano schiume o leghe metalliche. "Riteniamo che la comprensione del comportamento delle bolle a livello molecolare ci aiuterà a migliorare l'efficienza di molti tipi di dispositivi nel prossimo futuro", afferma.

Saluti a quello.

La fisica delle bolle di champagne potrebbe aiutare a alimentare il futuro