Il a fallu une vidéo YouTube, un congélateur-chambre maintenu à moins 20 degrés Celsius et quelques étudiants en ingénierie très tolérants au froid pour que les chercheurs comprennent enfin pourquoi les bulles de savon gelées ressemblent à des paillettes dans une boule à neige. L’astuce elle-même est une expérience scientifique hivernale populaire lorsque les températures descendent en dessous de zéro : sortez, soufflez une bulle de savon, déposez-la délicatement sur de la neige ou de la glace, et regardez les cristaux danser sur le film jusqu’à ce que l’ensemble devienne une délicate boule de glace. C’est visuellement époustouflant – mais jusqu’à très récemment, les gens ne savaient pas exactement pourquoi les bulles se figent de cette manière particulière et hypnotique.
Normalement, lorsqu’une goutte d’eau ou une flaque d’eau gèle, elle commence à se solidifier en glace à l’endroit le plus froid, là où elle entre en contact avec d’autres neiges ou glaces. La glace fraîche gèle l’eau voisine, créant une belle progression ordonnée dans la flaque, appelée front de congélation. Mais lorsque vous congelez une bulle dans une pièce glaciale, tout cet ordre tombe rapidement à l’eau.
Elle commence à se développer normalement, gelant du bas, là où elle touche la glace, vers le haut, mais ensuite, soudainement, des centaines de fronts de gel apparaissent à la surface de la bulle. « Cela ressemble un peu aux cristaux tourbillonnants que l’on voit dans une boule à neige en jouet. C’est pourquoi nous appelons cela un effet boule à neige », explique Jonathan Boreyko, le coauteur d’un nouvel article sur l’effet boule à neige, qui vient d’être publié dans la revue Nature Communications.
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Boreyko, ingénieur en mécanique, dirige un laboratoire à Virginia Tech qui se concentre sur le comportement des fluides – notamment sur la façon dont les flaques et les gouttelettes gèlent. Lorsque certains de ses étudiants diplômés ont voulu savoir s’ils pouvaient examiner pourquoi les bulles des vidéos YouTube populaires se figeaient selon ces schémas distincts, il a été enthousiasmé. « Je pense que c’est la première fois de ma vie que je peux dire que mon article a été inspiré par YouTube », déclare M. Boreyko. Pendant des années, Farzad Ahmadi, étudiant diplômé, et Christian Kingett, étudiant de premier cycle, se sont périodiquement emmitouflés dans des vestes et ont emprunté le congélateur-chambre d’un laboratoire voisin – refroidi à moins 20 degrés Celsius (moins quatre degrés Fahrenheit) – pour déposer soigneusement des bulles de savon sur la glace à l’aide de pipettes.
A la suite de tout ce travail au froid, ils ont découvert que l’effet boule de neige était entraîné par quelque chose appelé flux de Marangoni. « C’est juste un langage fantaisiste pour dire essentiellement que les fluides passent du chaud au froid à une interface », explique Boreyko. Lorsque les bulles ont gelé dans le congélateur, la partie encore liquide de la bulle n’a cessé de se déplacer, arrachant des cristaux de glace au front de congélation en expansion et les projetant dans tous les sens. Ces cristaux de glace ont chacun créé leur propre front de congélation, faisant en sorte que la surface de la bulle se solidifie plus rapidement.
Mais dans un congélateur où tout est à la même température, comment certaines parties de la bulle se réchauffaient-elles suffisamment pour créer le flux ? « Il s’avère que la réponse se trouve dans la congélation elle-même », explique Boreyko. « C’est très contre-intuitif pour les personnes qui ne sont pas dans le domaine, mais lorsque vous congelez de l’eau, elle se réchauffe en fait. » Ce tout petit peu de chaleur (généralement quelques degrés seulement) est suffisant pour que le savon commence à remonter vers le sommet de la bulle, où le congélateur le maintient encore froid.
Après avoir dégelé un peu, les étudiants diplômés ont tenté la même expérience à température ambiante, en soufflant à nouveau des bulles sur un bloc de glace. Les résultats ont été très différents, comme vous pouvez le voir dans cette vidéo :
Au lieu de geler entièrement, à mi-chemin de la bulle, le front de gel s’arrête… tout simplement. L’air plus chaud de la pièce maintient la bulle dans un purgatoire bizarre jusqu’à ce que l’air commence à s’infiltrer lentement par de minuscules trous dans la moitié gelée de la bulle. Les trous sont si petits que Boreyko dit qu’il a fallu plusieurs minutes pour que certaines des bulles à moitié gelées s’effondrent complètement.
Les deux expériences ont des résultats d’apparence sauvage, et si vous vivez dans un climat froid, vous aurez peut-être l’occasion d’essayer les expériences par vous-même cet hiver. Tout ce dont vous avez besoin, c’est d’une solution savonneuse, d’une surface froide (comme la neige) et d’une journée où l’air est en dessous de zéro.
« C’est assez facile à faire pour les gens et c’est en partie pourquoi j’ai voulu faire cela », dit Boreyko. « N’importe qui peut voir les effets par lui-même, et cela peut informer le pourquoi de la beauté qu’ils voient, s’ils sont intéressés à en apprendre davantage à ce sujet. »