La fisica del congelamento delle bolle di sapone è più fredda di quanto si possa pensare

Se c’è qualcosa di più ipnotizzante dei vortici iridescenti che danzano su una bolla di sapone, è la vista delle stelle ghiacciate che turbinano intorno a quella bolla mentre si congela.

Quindi, quando un video su YouTube di una bolla che si congela è arrivato all’ingegnere meccanico Jonathan Boreyko e al suo team del Virginia Tech, non erano solo impressionati. Volevano capire la fisica che si cela dietro lo stupefacente spettacolo di cristalli di ghiaccio vorticosi.

“Molte cose nella ricerca sono più motivate da un desiderio di verità o di bellezza”, dice Boreyko, “come cercare di capire una cosa nuova e misteriosa.”

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Lo studio del team, pubblicato il mese scorso sulla rivista Nature Communications, rivela la fisica dell'”effetto globo di neve”, un fenomeno che fa sì che centinaia di piccoli cristalli di ghiaccio galleggino sulla superficie di una bolla e si congelino contemporaneamente in un display stravagante.

Quello che Boreyko e il suo team hanno voluto determinare è la provenienza delle centinaia di piccoli cristalli di ghiaccio nell’effetto globo di neve. Di solito, quando una quantità relativamente piccola di un liquido si congela – come quando l’acqua si trasforma in un cubetto di ghiaccio – il processo di congelamento inizia da un singolo punto di origine. Quel punto crea un confine in espansione tra il liquido congelato e quello non congelato, chiamato fronte di congelamento. Mentre il fronte di congelamento si espande verso l’esterno, raffredda il liquido rimanente, facendolo cambiare di fase e diventare ghiaccio.

Ma nelle bolle, Boreyko e il suo team hanno notato, questo processo può essere diverso. Quando i ricercatori hanno congelato alcune bolle in una cella frigorifera e le hanno fotografate e filmate, hanno visto quello che sembravano centinaia di fronti di congelamento che galleggiavano simultaneamente sulla superficie delle bolle.

Per esaminare più da vicino la fisica dietro la moltitudine di fronti di congelamento, il team ha sviluppato un modello matematico per simulare il congelamento delle bolle. La modellazione, dice Boreyko, è stata la parte più difficile. “Una volta fatti tutti gli esperimenti, c’è voluto più di un anno per modellare completamente e capire la fisica dietro le cose che stavamo vedendo”, dice.

Quello che il team ha scoperto segue il processo fondamentale del congelamento stesso: Nel momento in cui un liquido si congela, diventa leggermente più caldo. Questo perché quando le molecole di un liquido si riorganizzano e si fondono in un solido, l’energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di calore, chiamato calore latente.

Quando una bolla si trova in un ambiente gelido e atterra su una superficie fredda, la prima cosa a congelarsi è il fondo della bolla. Quando questo fronte di congelamento si espande, rilascia calore latente nella superficie liquida adiacente alla bolla. Questo riscalda l’acqua sul bordo del fronte di congelamento e la fa scorrere verso la parte superiore della bolla.

Come viene rilasciato più calore latente, il flusso d’acqua diventa più forte. Questo mette sotto stress il fronte di congelamento e fa sì che piccolissimi cristalli di ghiaccio si stacchino e scivolino sulla superficie della bolla. Questi cristalli iniziano poi a crescere simultaneamente, dando l’impressione che ci siano più fronti di congelamento che si formano contemporaneamente.

“In realtà è solo un fronte di congelamento”, dice Boreyko, aggiungendo che la superficie fredda fornisce un punto di origine per iniziare la crescita dei cristalli di ghiaccio.

“Questo articolo non era sul ghiaccio, in realtà. Era più sul flusso dei liquidi”, dice Kenneth Libbrecht, un fisico del Caltech specializzato in cristalli di ghiaccio e formazione di fiocchi di neve che non è stato coinvolto nello studio. La scoperta unica dello studio, dice, è che il congelamento crea flussi liquidi sulla superficie delle bolle che creano un ciclo di feedback, che migliora il processo di congelamento stesso.

Questa nuova comprensione dell’effetto palla di neve potrebbe un giorno aiutare gli esperti a progettare modi migliori per congelare le cose, compreso il materiale biologico come il tessuto umano.

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La progressione dell'”effetto palla di neve” in tre immagini. Image Credit: Farzad Ahmadi and Christian Kingett

Oggi, il congelamento a bassa temperatura dei tessuti umani, chiamato crionica, è per lo più limitato al congelamento di piccoli campioni di tessuto o di singole cellule, dice Steven Van Sciver, un professore che studia criogenia e crionica alla Florida State University e che non è stato coinvolto nello studio. Campioni più grandi, come gli organi completi, dice, vengono danneggiati durante il processo di congelamento e scongelamento.

“La maggior parte di ciò che si vede in Star Wars e Star Trek e Hollywood sono cose come congelare le persone e riportarle in vita”, dice Van Sciver. “Ma per i ricercatori che cercano modi migliori per congelare le cose, le bolle rappresentano un’opportunità unica, dice. “Capire come questi cristalli si formano in bolle molto sottili e come si muovono potrebbe essere utile per capire il congelamento biologico fatto con la criogenia.”

Ma Boreyko dice che il suo team non aveva un uso finale in mente quando hanno iniziato questo progetto, solo il desiderio di capire quello che stavano vedendo.

“La gente pensa sempre alle applicazioni”, dice Libbrecht. “Penso che sia il modo sbagliato di pensarci. In questo caso, la ricerca è molto poco costosa….E’ giusto spendere un po’ di soldi per cercare di capire cosa sta succedendo intorno a te.”

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