Ci sono voluti un video di YouTube, una cabina frigorifera tenuta a meno 20 gradi Celsius, e alcuni studenti di ingegneria molto tolleranti al freddo perché i ricercatori riuscissero finalmente a capire perché le bolle di sapone congelate assomigliano ai brillantini in una palla di neve. Il trucco in sé è un popolare esperimento scientifico invernale quando le temperature scendono sotto lo zero: vai fuori, soffia una bolla di sapone, mettila delicatamente sulla neve o sul ghiaccio e guarda come i cristalli danzano sulla pellicola finché il tutto non diventa una delicata palla di ghiaccio. È visivamente sbalorditivo – ma fino a poco tempo fa, la gente non sapeva esattamente perché le bolle si congelano in questo modo particolare e ipnotizzante.
Normalmente, quando una goccia d’acqua o una pozza si congela, inizia a solidificarsi in ghiaccio nel punto più freddo, dove entra in contatto con altra neve o ghiaccio. Il ghiaccio fresco congela l’acqua vicina, creando una bella progressione ordinata attraverso la pozzanghera chiamata fronte di congelamento. Ma quando si congela una bolla in una stanza gelida, tutto quell’ordine va rapidamente fuori dalla finestra.
Inizia a crescere normalmente, congelandosi dal basso, dove tocca il ghiaccio, verso l’alto, ma poi, improvvisamente, centinaia di fronti di congelamento appaiono sulla superficie della bolla. “Assomiglia un po’ ai cristalli vorticosi che si vedono in una palla di neve giocattolo. Ecco perché lo chiamiamo effetto palla di neve”, dice Jonathan Boreyko, il coautore di un nuovo articolo sull’effetto palla di neve, appena pubblicato sulla rivista Nature Communications.
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Boreyko, un ingegnere meccanico, guida un laboratorio alla Virginia Tech che si concentra su come si comportano i fluidi – incluso come si congelano pozzanghere e goccioline. Quando alcuni dei suoi studenti laureati hanno voluto sapere se potevano indagare sul perché le bolle nei video popolari di YouTube si sono congelate in quei modelli distinti, era entusiasta. “Penso che questa sia la prima volta nella mia vita che posso dire che il mio articolo è stato ispirato da YouTube”, dice Boreyko. Per anni, lo studente laureato Farzad Ahmadi e lo studente non laureato Christian Kingett si sarebbero periodicamente infagottati nelle giacche e avrebbero preso in prestito il freezer di un laboratorio vicino – raffreddato a meno 20 gradi Celsius (meno quattro gradi Fahrenheit) – per depositare con cura le bolle di sapone sul ghiaccio usando delle pipette.
Come risultato di tutto quel lavoro freddo, hanno scoperto che l’effetto palla di neve era guidato da qualcosa chiamato flusso Marangoni. “Questo è solo un modo elegante per dire che i fluidi passano dal caldo al freddo in un’interfaccia”, dice Boreyko. Mentre le bolle si congelavano nel congelatore, la parte ancora liquida della bolla continuava a muoversi, strappando cristalli di ghiaccio dal crescente fronte di congelamento e lanciandoli in giro. Quei cristalli di ghiaccio creavano ciascuno il proprio fronte di congelamento, facendo solidificare la superficie della bolla più velocemente.
Ma in un congelatore dove tutto è alla stessa temperatura, come facevano le parti della bolla a riscaldarsi abbastanza per creare il flusso? “Si è scoperto che la risposta è nel congelamento stesso”, dice Boreyko. “È molto controintuitivo per chi non è del settore, ma quando si congela l’acqua in realtà la si riscalda”. Quel po’ di calore (di solito solo pochi gradi) è sufficiente per far muovere il sapone verso la parte superiore della bolla, dove il congelatore lo mantiene ancora freddo.
Dopo che gli studenti laureati si sono scongelati un po’, hanno provato lo stesso esperimento a temperatura ambiente, soffiando di nuovo le bolle su un blocco di ghiaccio. I risultati sono stati molto diversi, come si può vedere in questo video:
Invece di congelarsi completamente, a metà della bolla il fronte di congelamento semplicemente… si ferma. L’aria più calda nella stanza mantiene la bolla in uno strano purgatorio fino a quando l’aria inizia lentamente a filtrare da piccoli fori nella metà congelata della bolla. I buchi sono così piccoli che Boreyko dice che ci sono voluti diversi minuti per alcune delle bolle semi-congelate per collassare completamente.
Entrambi gli esperimenti hanno dei risultati selvaggi, e se vivi in un clima freddo, potresti avere la possibilità di provare gli esperimenti per te questo inverno. Tutto ciò di cui hai bisogno è una soluzione di sapone, una superficie fredda (come la neve), e un giorno in cui l’aria è sotto lo zero.
“È abbastanza facile da fare per le persone e questo è parte del motivo per cui ho voluto fare questo”, dice Boreyko. “Chiunque può vedere gli effetti da solo, e questo può informare il perché dietro la bellezza che stanno vedendo, se sono interessati a saperne di più.”