Wetenschap
Dansende rozijnen:een eenvoudig keukenexperiment laat zien hoe objecten energie uit hun omgeving kunnen halen
Voor wetenschappelijke ontdekkingen is niet altijd een hightech laboratorium of een flink budget nodig. Veel mensen hebben een eersteklas laboratorium in hun eigen huis:hun keuken.
De keuken biedt volop mogelijkheden om te bekijken en te ontdekken wat natuurkundigen zachte materie en complexe vloeistoffen noemen. Alledaagse verschijnselen, zoals Cheerios die zich in melk clusteren of ringen die achterblijven wanneer koffiedruppels verdampen, hebben geleid tot ontdekkingen op het snijvlak van natuur- en scheikunde en andere smaakvolle samenwerkingen tussen voedingswetenschappers en natuurkundigen.
Twee studenten, Sam Christianson en Carsen Grote, en ik publiceerden een nieuw onderzoek in Nature Communications in mei 2024 duikt dat in een andere keukenobservatie. We hebben onderzocht hoe objecten kunnen zweven in koolzuurhoudende vloeistoffen, een fenomeen dat ook wel dansende rozijnen wordt genoemd.
In het onderzoek werd onderzocht hoe voorwerpen zoals rozijnen ritmisch op en neer kunnen bewegen in koolzuurhoudende vloeistoffen gedurende enkele minuten, zelfs wel een uur.
Een begeleidende Twitter-thread over ons onderzoek ging viraal en werd in slechts twee dagen tijd meer dan een half miljoen keer bekeken. Waarom sprak dit specifieke experiment tot de verbeelding van zo velen?
Bubbelfysica
Bruisend water en andere koolzuurhoudende dranken bruisen van de belletjes omdat ze meer gas bevatten dan de vloeistof kan bevatten; ze zijn 'oververzadigd' met gas. Wanneer je een fles champagne of frisdrank opent, daalt de vloeistofdruk en beginnen CO₂-moleculen te ontsnappen naar de omringende lucht.
Bellen ontstaan gewoonlijk niet spontaan in een vloeistof. Een vloeistof bestaat uit moleculen die graag aan elkaar plakken, dus moleculen aan de vloeistofgrens zijn een beetje ongelukkig. Dit resulteert in oppervlaktespanning, een kracht die het oppervlak probeert te verkleinen. Omdat bellen het oppervlak vergroten, drukken de oppervlaktespanning en de vloeistofdruk normaliter alle vormende bellen meteen weer uit het bestaan.
Maar ruwe plekken op het oppervlak van een container, zoals de etsingen in sommige champagneglazen, kunnen nieuwe belletjes beschermen tegen de verpletterende effecten van oppervlaktespanning, waardoor ze de kans krijgen zich te vormen en te groeien.
Er vormen zich ook belletjes in de microscopisch kleine, buisvormige doekvezels die achterblijven na het afvegen van een glas met een handdoek. De belletjes groeien gestaag in deze buizen en zodra ze groot genoeg zijn, komen ze los en drijven naar boven, waardoor het gas uit de container wordt getransporteerd.
Maar zoals veel champagneliefhebbers die fruit in hun glazen doen weten, zijn oppervlakte-etsingen en kleine stoffen vezels niet de enige plekken waar zich belletjes kunnen vormen. Het toevoegen van een klein voorwerp zoals een rozijn of een pinda aan een bruisend drankje maakt ook de groei van bellen mogelijk. Deze ondergedompelde objecten fungeren als aantrekkelijke nieuwe oppervlakken waarop opportunistische moleculen zoals CO₂ zich kunnen ophopen en bellen kunnen vormen.
En zodra er voldoende bellen op het object zijn gegroeid, kan er een levitatiehandeling worden uitgevoerd. Samen kunnen de belletjes het voorwerp naar het vloeistofoppervlak tillen. Eenmaal aan de oppervlakte knappen de belletjes, waardoor het voorwerp weer naar beneden valt. Het proces begint dan opnieuw, in een periodieke verticale dansbeweging.
Dansende rozijnen
Rozijnen zijn bijzonder goede dansers. Het duurt slechts een paar seconden voordat er voldoende belletjes zijn gevormd op het rimpelige oppervlak van een rozijn voordat deze naar boven begint te stijgen; belletjes vormen zich moeilijker op gladdere oppervlakken. Wanneer een rozijn in net geopend bruisend water wordt gedropt, kan hij twintig minuten lang een krachtige tango dansen, en dan nog ongeveer een uur lang een langzamere wals.
We ontdekten dat rotatie, of draaien, van cruciaal belang was om grote objecten tot dansen te bewegen. Bellen die zich aan de onderkant van een voorwerp vastklampen, kunnen het omhoog houden, zelfs nadat de bovenste bubbels zijn geknapt. Maar als het object ook maar een klein beetje begint te draaien, zorgen de belletjes eronder ervoor dat het lichaam nog sneller draait, wat ertoe leidt dat er nog meer bellen aan de oppervlakte knallen. En hoe eerder deze bubbels worden verwijderd, hoe eerder het object weer verticaal kan dansen.
Kleine voorwerpen zoals rozijnen roteren niet zo veel als grotere voorwerpen, maar doen in plaats daarvan de draai en wiebelen snel heen en weer.
De bruisende flamenco modelleren
In het artikel hebben we een wiskundig model ontwikkeld om te voorspellen hoeveel reizen naar de oppervlakte we zouden verwachten van een object als een rozijn. In één experiment plaatsten we een 3D-geprinte bol die als modelrozijn fungeerde in een glas net geopend bruisend water. De bol reisde in één uur ruim 750 keer van de bodem van de container naar de bovenkant.
Het model omvatte zowel de snelheid van de bellengroei als de vorm, grootte en oppervlakteruwheid van het object. Er werd ook rekening gehouden met hoe snel de vloeistof carbonatatie verliest op basis van de geometrie van de container, en vooral de stroming die ontstaat door al die bruisende activiteit.
Het wiskundige model heeft ons geholpen te bepalen welke krachten het dansen van het object het meest beïnvloeden. De vloeistofweerstand op het object bleek bijvoorbeeld relatief onbelangrijk, maar de verhouding tussen de oppervlakte van het object en zijn volume was van cruciaal belang.
Kijkend naar de toekomst biedt het model ook een manier om enkele moeilijk te meten grootheden te bepalen met behulp van gemakkelijker te meten grootheden. Door bijvoorbeeld de dansfrequentie van een object te observeren, kunnen we op microscopisch niveau veel leren over het oppervlak ervan, zonder dat we die details rechtstreeks hoeven te zien.
Verschillende dansen in verschillende theaters
Deze resultaten zijn echter niet alleen interessant voor liefhebbers van koolzuurhoudende dranken. Oververzadigde vloeistoffen komen ook in de natuur voor; magma is daar een voorbeeld van.
Naarmate magma in een vulkaan dichter bij het aardoppervlak komt, daalt de druk snel, en opgeloste gassen uit de vulkaan snellen naar de uitgang, net als de CO₂ in koolzuurhoudend water. Deze ontsnappende gassen kunnen zich vormen tot grote hogedrukbellen en met zo'n kracht naar buiten komen dat er een vulkaanuitbarsting ontstaat.
De deeltjes in magma dansen misschien niet op dezelfde manier als rozijnen in sodawater, maar kleine voorwerpen in het magma kunnen wel van invloed zijn op hoe deze explosieve gebeurtenissen zich afspelen.
De afgelopen decennia hebben zich ook andere uitbarstingen voorgedaan:duizenden wetenschappelijke studies gewijd aan actieve materie in vloeistoffen. In deze onderzoeken wordt gekeken naar zaken als zwemmende micro-organismen en de binnenkant van onze met vloeistof gevulde cellen.
De meeste van deze actieve systemen bestaan niet in water, maar in meer gecompliceerde biologische vloeistoffen die de energie bevatten die nodig is om activiteit te produceren. Micro-organismen nemen voedingsstoffen op uit de vloeistof om hen heen om te kunnen blijven zwemmen. Moleculaire motoren vervoeren lading over een supersnelweg in onze cellen door nabijgelegen energie in de vorm van ATP uit de omgeving te halen.
Het bestuderen van deze systemen kan wetenschappers helpen meer te leren over hoe de cellen en bacteriën in het menselijk lichaam functioneren, en hoe het leven op deze planeet is geëvolueerd tot zijn huidige staat.
Ondertussen kan een vloeistof zelf zich vreemd gedragen vanwege de diverse moleculaire samenstelling en de lichamen die erin bewegen. Veel nieuwe onderzoeken hebben zich gericht op het gedrag van micro-organismen in vloeistoffen zoals slijm, dat zich zowel als een stroperige vloeistof als als een elastische gel gedraagt. Wetenschappers moeten nog veel leren over deze uiterst complexe systemen.
Hoewel rozijnen in frisdrankwater vrij eenvoudig lijken in vergelijking met micro-organismen die door biologische vloeistoffen zwemmen, bieden ze een toegankelijke manier om generieke kenmerken in die meer uitdagende omgevingen te bestuderen. In beide gevallen onttrekken lichamen energie aan hun complexe, vloeibare omgeving en beïnvloeden ze deze tegelijkertijd, met fascinerend gedrag tot gevolg.
Nieuwe inzichten over de fysieke wereld, van geofysica tot biologie, zullen voortkomen uit experimenten op tafelschaal – en misschien wel rechtstreeks uit de keuken.