Quelle que soit l'occasion, le bouchon d'un bouchon de champagne signifie la libération de la pression, à la fois pour les fêtards sur le point d'imbiber et pour le liquide qui s'y trouve. Ouvrir la bouteille modifie la pression sur le liquide, permettant au dioxyde de carbone dissous de jaillir et de créer l’étincelle caractéristique de votre verre.
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Bien que les bases de la raison pour laquelle les bulles de champagne soient bien connues, les scientifiques tentent toujours de résoudre certains mystères liés à la formation de bulles. De manière peut-être surprenante, les bulles de Champagne refroidi se comportent de la même manière que celles contenues dans l’eau bouillante utilisée dans les turbines à vapeur, ainsi que les bulles utilisées dans diverses applications industrielles.
Gérard Liger-Belair, physicien à l’Université de Reims en France, déclare: «Les bulles sont très courantes dans notre vie quotidienne. Elles jouent un rôle crucial dans de nombreux processus tant naturels qu’industriels - en physique, en génie chimique et mécanique, océanographie, géophysique, technologie et même médecine. Néanmoins, leur comportement est souvent surprenant et, dans de nombreux cas, encore mal compris. ”
Un mystère remarquable réside dans la rapidité avec laquelle des bulles de différentes tailles se forment dans les liquides, ce qui pourrait aider les ingénieurs à concevoir des systèmes de chaudière plus efficaces et à améliorer le rendement des réacteurs à vapeur. Des chercheurs japonais ont maintenant utilisé la puissance de calcul pour simuler des bulles de liquide, confirmant ainsi que tout se résumait à une théorie mathématique proposée dans les années 1960.
«C’est la première étape pour comprendre l’apparition et l’interaction des bulles lors de la formation de bulles au niveau moléculaire», explique le co-auteur de l’étude, Hiroshi Watanabe, physicien à l’Université de Tokyo. Les résultats apparaissent ce mois-ci dans le Journal of Chemical Physics .
En Champagne et dans l’eau bouillante, les bulles subissent une transformation appelée maturation Ostwald, du nom de son découvreur, le chimiste allemand Wilhelm Ostwald du XIXe siècle. Il a remarqué que les petites particules d’un liquide ou d’un solide dans une solution cèdent la place aux plus grosses, car les plus grosses sont plus stables sur le plan énergétique.
Dans le cas d'une bulle, les molécules de liquide sur une surface plus petite sont moins stables et auront tendance à se détacher. Dans le même temps, les molécules seront attirées sur les surfaces stables de bulles plus grandes. Au fil du temps, le nombre de petites bulles diminue et le nombre de grosses bulles augmente, donnant au liquide une texture plus grossière. «Après l'apparition de nombreuses bulles au moment de déboucher une bouteille de champagne, la population de bulles commence à diminuer», explique Watanabe. "Les bulles plus grosses grossissent en mangeant des bulles plus petites et, finalement, une seule bulle survivra." En plus de régir la formation de bulles dans votre boisson, le mûrissement d'Ostwald est à l'origine de la texture sableuse de la crème glacée recongelée, car elle favorise la formation de plus gros cristaux de glace lorsque le mélange fondu se solidifie.
Au-delà du domaine de l'alimentation et des boissons, la maturation d'Ostwald se produit dans les centrales électriques où les chaudières chauffent de l'eau pour récupérer l'énergie thermique de la vapeur. Cependant, les complexités de la formation de bulles dans les chaudières ne sont pas bien comprises, en partie parce qu'il est difficile de recréer la masse de bulles en jeu dans un laboratoire.
Watanabe et ses collègues de l'Université Kyusyu et des laboratoires RIKEN au Japon se sont tournés vers l'ordinateur K, l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde. Ils ont construit un programme pour simuler le comportement de millions de molécules virtuelles dans un espace virtuel contraint, dans ce cas une boîte. Attribuant une vitesse à chaque molécule, ils ont observé leur mouvement et formé des bulles. L’équipe a découvert qu’il fallait environ 10 000 molécules de liquide pour former une seule bulle. Elle a donc dû cartographier le mouvement d’environ 700 millions de molécules pour comprendre le comportement des bulles en masse. Voici une animation d'une version réduite de leurs simulations:
Après la formation de multiples bulles, Ostwald mûrit jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une seule bulle. (H.Inaoka / RIKEN) Les modèles ont aidé l’équipe à confirmer que les bulles suivaient un cadre mathématique élaboré dans la théorie de Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) dans les années 1960. Au début, la vitesse à laquelle les molécules pourraient passer du liquide au gaz détermine la vitesse de formation des bulles. Cette transformation se produit à la surface de la bulle. Ainsi, à mesure que le taux d'évaporation s'accélère, la vitesse à laquelle les molécules liquides peuvent atteindre la surface de la bulle détermine le taux de formation et de croissance.
Watanabe compare la relation à une usine, où les machines se substituent au processus de formation de bulles: «Si les performances des machines dans l'usine sont médiocres, le taux de production de l'usine est déterminé par les performances des machines. Si les performances des machines sont suffisamment bonnes, le taux de production est déterminé par la quantité de matière première fournie. ”
Dans les tuyaux chauffés d'un système de turbine à gaz, les bulles peuvent diminuer les échanges thermiques et causer de l'usure lorsque leur éclatement exerce une faible force sur la surface métallique de la conduite. La même chose se produit lorsque vous mettez une hélice dans l'eau: des bulles se forment, éclatent et endommagent progressivement les pales. Les turbines et les hélices ont été optimisées pour réduire les effets néfastes des bulles, mais, précise-t-il, «une connaissance approfondie du comportement des bulles nous aidera à trouver des idées novatrices pour les améliorer».
En plus d’aider potentiellement l’efficacité des centrales électriques, Watanabe envisage des applications dans d’autres domaines riches en bulles, tels que ceux qui utilisent des mousses ou des alliages métalliques. "Nous pensons que la compréhension du comportement des bulles au niveau moléculaire nous aidera à améliorer l'efficacité de nombreux types d'appareils dans un avenir proche", a-t-il déclaré.
Trinquons à ça.
