Er waren een YouTube-video, een walk-in vriezer met een temperatuur van min 20 graden Celsius en een aantal zeer koudetolerante technische studenten voor nodig om erachter te komen waarom bevriezende zeepbellen op glitters in een sneeuwbol lijken. De truc zelf is een populair winters wetenschappelijk experiment wanneer de temperatuur onder het vriespunt daalt: ga naar buiten, blaas een zeepbel op, leg die voorzichtig op wat sneeuw of ijs, en kijk hoe de kristallen ronddansen op de folie tot het hele ding een delicate ijsbol is geworden. Het is visueel verbluffend – maar tot voor kort wist men niet precies waarom zeepbellen op deze bijzondere, betoverende manier bevriezen.
Normaal gesproken, wanneer een waterdruppel of een plas bevriest, begint het te stollen tot ijs op de koudste plek, waar het in contact komt met andere sneeuw of ijs. Vers ijs bevriest het naburige water, waardoor een mooi geordend verloop over de plas ontstaat, een vriesfront genaamd. Maar als je een luchtbel bevriest in een ijskoude ruimte, verdwijnt al die orde al snel uit het raam.
Het begint normaal te groeien, bevriest van de bodem, waar het het ijs raakt, naar boven, maar dan verschijnen er plotseling honderden vriesfronten op het oppervlak van de luchtbel. “Het lijkt een beetje op de wervelende kristallen die je in een speelgoedsneeuwbol ziet. Daarom noemen we het een sneeuwbolleneffect,” zegt Jonathan Boreyko, de co-auteur van een nieuw artikel over het sneeuwbolleneffect, dat zojuist is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/16350608/Image_1_1.png)
Boreyko, een werktuigbouwkundig ingenieur, leidt een lab aan Virginia Tech dat zich richt op hoe vloeistoffen zich gedragen – waaronder hoe plassen en druppels bevriezen. Toen enkele van zijn afgestudeerde studenten wilden weten of ze konden onderzoeken waarom de bellen in populaire YouTube-video’s bevriezen in die duidelijke patronen, was hij enthousiast. “Ik denk dat dit de eerste keer in mijn leven is dat ik kan zeggen dat mijn paper is geïnspireerd door YouTube”, zegt Boreyko. Jarenlang staken promovendus Farzad Ahmadi en student Christian Kingett regelmatig een jas aan en leenden ze de inloopvriezer van een naburig lab – gekoeld tot min 20 graden Celsius – om met pipetten voorzichtig zeepbellen op het ijs te deponeren.
Als resultaat van al dat koude werk ontdekten ze dat het sneeuwbolleneffect werd aangedreven door iets dat een Marangoni-stroming wordt genoemd. “Dat is gewoon chique taal voor vloeistoffen die van warm naar koud stromen op een grensvlak,” zegt Boreyko. Terwijl de bubbels bevroren in de vriezer, bleef het nog vloeibare deel van de bel bewegen, waarbij ijskristallen van het groeiende vriesfront werden gescheurd en rondgeslingerd. Die ijskristallen creëerden elk hun eigen vriesfront, waardoor het oppervlak van de bel sneller stolde.
Maar in een vriezer waar alles dezelfde temperatuur heeft, hoe konden delen van de bel dan genoeg opwarmen om de stroming te creëren? “Het antwoord blijkt te liggen in het bevriezen zelf,” zegt Boreyko. “Het is heel tegenintuïtief voor mensen die er niet in thuis zijn, maar als je water bevriest, warmt het juist op.” Dat kleine beetje warmte (meestal maar een paar graden) is genoeg om de zeep naar de bovenkant van de zeepbel te laten bewegen, waar de vriezer het nog steeds koud houdt.
Nadat de studenten een beetje ontdooid waren, probeerden ze hetzelfde experiment bij kamertemperatuur, waarbij ze weer zeepbellen op een blok ijs bliezen. De resultaten waren heel anders, zoals u in deze video kunt zien:
In plaats van volledig te bevriezen, stopt halverwege de bel het vriesfront gewoon…. De warmere lucht in de kamer houdt de bel in een vreemd vagevuur totdat er langzaam lucht uit de kleine gaatjes in de bevroren helft van de bel sijpelt. De gaatjes zijn zo klein, dat Boreyko zegt dat het enkele minuten duurde voordat sommige van de halfbevroren bellen volledig waren ingestort.
Beide experimenten hebben wild uitziende resultaten, en als je in een koud klimaat woont, krijg je misschien de kans om de experimenten deze winter zelf te proberen. Alles wat je nodig hebt is wat zeepoplossing, een koud oppervlak (zoals sneeuw), en een dag waarop de lucht onder het vriespunt is.
“Het is vrij gemakkelijk voor mensen om te doen en dat is een deel van de reden waarom ik dit wilde doen,” zegt Boreyko. “Iedereen kan de effecten zelf zien, en dit kan informatie geven over het waarom achter de schoonheid die ze zien, als ze geïnteresseerd zijn om er meer over te leren.”