Trzeba było filmu na YouTube, zamrażarki utrzymywanej w temperaturze ujemnej 20 stopni Celsjusza i kilku bardzo odpornych na zimno studentów inżynierii, aby badacze w końcu odkryli, dlaczego zamrażanie baniek mydlanych przypomina brokat w śnieżnej kuli. Sam trik jest popularnym zimowym eksperymentem naukowym, gdy temperatura spada poniżej zera: wyjdź na zewnątrz, zdmuchnij bańkę mydlaną, delikatnie połóż ją na śniegu lub lodzie i obserwuj, jak kryształki tańczą na folii, aż cała rzecz stanie się delikatną lodową kulą. Jest to wizualnie oszałamiające – ale do niedawna ludzie nie wiedzieli dokładnie, dlaczego bańki zamarzają w ten szczególny, hipnotyzujący sposób.
Normalnie, kiedy kropla wody lub kałuża zamarza, zaczyna krzepnąć w lód w najzimniejszym miejscu, gdzie styka się z innym śniegiem lub lodem. Świeży lód zamraża sąsiednią wodę, tworząc ładny, uporządkowany ciąg przez kałużę, zwany frontem zamarzania. Ale kiedy zamrażamy bańkę w chłodnym pomieszczeniu, cały ten porządek szybko znika przez okno.
Zaczyna rosnąć normalnie, zamarzając od dołu, gdzie dotyka lodu, do góry w kierunku szczytu, ale nagle na powierzchni bańki pojawiają się setki zamarzających frontów. „Wygląda to trochę jak wirujące kryształy, które można zobaczyć w zabawkowej kuli śnieżnej. Dlatego nazywamy to efektem śnieżnej kuli” – mówi Jonathan Boreyko, współautor nowego artykułu na temat efektu śnieżnej kuli, który właśnie ukazał się w czasopiśmie Nature Communications.
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/16350608/Image_1_1.png)
Boreyko, inżynier mechanik, prowadzi w Virginia Tech laboratorium zajmujące się zachowaniem płynów – w tym zamarzaniem kałuż i kropel. Kiedy niektórzy z jego studentów chcieli wiedzieć, czy mogliby sprawdzić, dlaczego bąbelki w popularnych filmach na YouTube zamarzają w tych wyraźnych wzorach, był podekscytowany. „Myślę, że po raz pierwszy w życiu mogę powiedzieć, że inspiracją dla mojej pracy był YouTube” – mówi Boreyko. Przez lata absolwent Farzad Ahmadi i student Christian Kingett co jakiś czas zakładali kurtki i pożyczali zamrażarkę sąsiedniego laboratorium – schłodzoną do temperatury ujemnych 20 stopni Celsjusza (ujemnych 4 stopni Fahrenheita) – aby ostrożnie osadzać bańki mydlane na lodzie za pomocą pipet.
W wyniku całej tej zimnej pracy odkryli, że efekt śnieżnej kuli jest napędzany przez coś, co nazywa się przepływem Marangoniego. „To po prostu wymyślne określenie na przepływ cieczy z gorącej do zimnej na granicy faz” – mówi Boreyko. Gdy bańki zamarzały w zamrażarce, wciąż płynna część bańki poruszała się, wyrywając kryształki lodu z rosnącego frontu zamrażania i rozrzucając je wokół. Te kryształy lodu tworzyły własny front zamrażania, sprawiając, że powierzchnia bańki zestalała się szybciej.
Ale w zamrażarce, gdzie wszystko ma taką samą temperaturę, w jaki sposób części bańki nagrzewały się wystarczająco, by stworzyć przepływ? „Okazuje się, że odpowiedź tkwi w samym procesie zamrażania,” mówi Boreyko. „To bardzo sprzeczne z intuicją dla ludzi nie będących w tej dziedzinie, ale kiedy zamrażasz wodę, to w rzeczywistości ją ogrzewa”. Ta maleńka odrobina ciepła (zwykle tylko kilka stopni) wystarcza, aby rozpocząć ruch mydła w górę w kierunku szczytu bańki, gdzie zamrażarka wciąż utrzymuje ją w zimnie.
Po tym, jak grafficiarze rozmrozili się nieco, spróbowali tego samego eksperymentu w temperaturze pokojowej, ponownie dmuchając bańki na blok lodu. Wyniki były diametralnie różne, co można zobaczyć na tym filmie:
Zamiast zamarzać całkowicie, w połowie drogi do bańki front zamrażania po prostu… zatrzymuje się. Cieplejsze powietrze w pomieszczeniu utrzymuje bańkę w dziwnym czyśćcu do momentu, gdy powietrze zaczyna powoli sączyć się przez maleńkie otwory w zamrożonej połowie bańki. Otwory są tak małe, że Boreyko twierdzi, że potrzeba było kilku minut, aby niektóre z na wpół zamrożonych baniek w pełni się zapadły.
Oba eksperymenty przyniosły dziko wyglądające rezultaty, a jeśli mieszkasz w zimnym klimacie, możesz mieć szansę wypróbowania tych eksperymentów tej zimy. Wszystko, czego potrzebujesz, to roztwór mydła, zimna powierzchnia (np. śnieg) i dzień, w którym powietrze jest poniżej zera.
„Jest to dość łatwe do wykonania przez ludzi i to jest część tego, dlaczego chciałem to zrobić” – mówi Boreyko. „Każdy może sam zobaczyć efekty, a to może dostarczyć informacji na temat tego, co stoi za pięknem, które widzą, jeśli są zainteresowani dowiedzeniem się więcej na ten temat.”