La physique de la congélation des bulles de savon est plus cool que vous ne le pensez

S’il y a quelque chose de plus envoûtant que des tourbillons irisés dansant sur une bulle de savon, c’est la vue d’étoiles glacées tourbillonnant autour de cette bulle lorsqu’elle gèle.

Alors, lorsqu’une vidéo YouTube d’une bulle en train de geler a fait son chemin jusqu’à l’ingénieur en mécanique Jonathan Boreyko et son équipe de Virginia Tech, ils n’étaient pas seulement émerveillés. Ils voulaient comprendre la physique qui se cache derrière l’étonnant spectacle de cristaux de glace tourbillonnants.

« Beaucoup de choses dans la recherche sont davantage motivées par un désir de vérité ou de beauté », dit Boreyko, « comme simplement essayer de comprendre une chose nouvelle et mystérieuse. »

Soutien fourni parLearn More

L’étude de l’équipe, publiée le mois dernier dans la revue Nature Communications, révèle la physique de « l’effet boule de neige », un phénomène qui fait que des centaines de minuscules cristaux de glace flottent à la surface d’une bulle et se figent simultanément dans un affichage fantaisiste.

Ce que Boreyko et son équipe ont cherché à déterminer, c’est d’où proviennent les centaines de petits cristaux de glace de l’effet boule à neige. Généralement, lorsqu’une quantité relativement faible d’un liquide gèle – comme lorsque l’eau se transforme en glaçon – le processus de congélation commence à partir d’un point d’origine unique. Ce point crée une frontière en expansion entre le liquide gelé et le liquide non gelé, appelée front de congélation. Lorsque le front de congélation s’étend vers l’extérieur, il refroidit le liquide restant, ce qui le fait changer de phase et devenir de la glace.

Mais dans les bulles, Boreyko et son équipe ont remarqué que ce processus peut être différent. Lorsque les chercheurs ont congelé quelques bulles dans une chambre froide et ont pris des photos et des vidéos d’elles, ils ont vu ce qui ressemblait à des centaines de fronts de congélation flottant simultanément à la surface des bulles.

Pour examiner de plus près la physique derrière la multitude de fronts de congélation, l’équipe a développé un modèle mathématique pour simuler la congélation des bulles. La modélisation, selon Boreyko, a été la partie la plus difficile. « Une fois que toutes les expériences ont été faites, il a fallu plus d’un an pour modéliser et comprendre complètement la physique derrière les choses que nous voyions », dit-il.

Ce que l’équipe a découvert suit le processus fondamental de la congélation elle-même : Au moment où un liquide gèle, il se réchauffe légèrement. Cela s’explique par le fait que lorsque les molécules d’un liquide se réarrangent et fusionnent en un solide, l’énergie excédentaire est libérée sous forme de chaleur, appelée chaleur latente.

Lorsqu’une bulle se trouve dans un environnement glacial et atterrit sur une surface froide, la première chose à geler est le fond de la bulle. Lorsque ce front de congélation se dilate, il libère de la chaleur latente dans la surface liquide adjacente de la bulle. Cela réchauffe l’eau au bord du front de congélation, même légèrement, et la fait s’écouler vers le haut de la bulle.

A mesure que la chaleur latente est libérée, le flux d’eau s’intensifie. Cela exerce une contrainte sur le front de congélation et provoque la rupture de cristaux de glace extrêmement petits qui glissent sur la surface de la bulle. Ces cristaux commencent alors à croître simultanément, donnant l’impression que plusieurs fronts de congélation se forment en même temps.

« Il s’agit en fait d’un seul front de congélation », déclare Boreyko, ajoutant que la surface froide fournit un point d’origine pour lancer la croissance des cristaux de glace.

« Cet article ne concernait pas vraiment la glace. Il portait plutôt sur l’écoulement des liquides », déclare Kenneth Libbrecht, un physicien de Caltech spécialisé dans les cristaux de glace et la formation des flocons de neige, qui n’a pas participé à l’étude. La découverte unique de l’étude, dit-il, est que la congélation crée des flux liquides à la surface des bulles qui créent une boucle de rétroaction, ce qui améliore le processus de congélation lui-même.

Cette nouvelle compréhension de l’effet boule de neige pourrait un jour aider les experts à concevoir de meilleures façons de congeler les choses, y compris le matériel biologique comme les tissus humains.

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La progression de « l’effet boule de neige » en trois images. Crédit image : Farzad Ahmadi et Christian Kingett

À l’heure actuelle, la congélation à basse température de tissus humains, appelée cryogénie, est surtout limitée à la congélation de petits échantillons de tissus ou de cellules uniques, explique Steven Van Sciver, professeur étudiant la cryogénie et la cryogénie à la Florida State University, qui n’a pas participé à l’étude. Les échantillons plus grands, comme les organes complets, dit-il, s’endommagent pendant le processus de congélation et de décongélation.

« La plupart de ce que vous voyez dans Star Wars et Star Trek et Hollywood, ce sont des choses comme la congélation des gens et leur retour à la vie », dit Van Sciver. « Et la plupart du temps, c’est un canular. »

Mais, pour les chercheurs qui cherchent de meilleures façons de congeler les choses, les bulles présentent une opportunité unique, dit-il. « Comprendre comment ces cristaux se forment dans des bulles très fines et comment ils se déplacent pourrait être utile pour comprendre la congélation biologique faite avec la cryogénie. »

Mais Boreyko dit que son équipe n’avait pas d’utilisation finale en tête quand ils ont commencé ce projet, juste le désir de comprendre ce qu’ils voyaient.

« Les gens pensent toujours aux applications », dit Libbrecht. « Je pense que ce n’est pas la bonne façon d’envisager les choses. Dans ce cas, la recherche est très peu coûteuse…. C’est normal de dépenser un peu d’argent pour essayer de comprendre ce qui se passe autour de vous. »

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