Ein einfaches Küchenexperiment zeigt, wie Gegenstände ihrer Umgebung Energie entziehen können

Wissenschaftliche Entdeckungen erfordern nicht immer ein High-Tech-Labor oder ein hohes Budget. Viele Menschen haben ein erstklassiges Labor direkt zu Hause – in ihrer Küche.

Die Küche bietet zahlreiche Möglichkeiten, das zu betrachten und zu erkunden, was Physiker weiche Materie und komplexe Flüssigkeiten nennen. Alltägliche Phänomene wie Cheerios-Ansammlungen in der Milch oder Ringe, die beim Verdunsten von Kaffeetropfen zurückbleiben, haben dazu geführt Entdeckungen an der Schnittstelle von Physik und Chemie und andere geschmackvolle Kooperationen zwischen Lebensmittelwissenschaftler und Physiker.

Zwei Studenten, Sam Christianson und Carsen Grote, und ich haben veröffentlicht eine neue Studie In Naturkommunikation im Mai 2024, das sich mit einer weiteren Küchenbeobachtung befasst. Wir haben untersucht, wie Objekte in kohlensäurehaltigen Flüssigkeiten schweben können, ein Phänomen, das skurril als „tanzende Rosinen“ bezeichnet wird.

Die Studie untersuchte, wie sich Gegenstände wie Rosinen in kohlensäurehaltigen Flüssigkeiten mehrere Minuten lang, sogar bis zu einer Stunde lang, rhythmisch auf und ab bewegen können.

Eine begleitende Twitter-Thread über unsere Forschung ging viral und verzeichnete in nur zwei Tagen über eine halbe Million Aufrufe. Warum hat dieses spezielle Experiment die Fantasie so vieler Menschen angeregt?

Sprudelnde Physik

Mineralwasser und andere kohlensäurehaltige Getränke sprudeln vor Blasen, weil sie mehr Gas enthalten, als die Flüssigkeit aufnehmen kann – sie sind mit Gas „übersättigt“. Wenn du Öffne eine Flasche Champagner oder ein Erfrischungsgetränk, sinkt der Flüssigkeitsdruck und CO₂-Moleküle beginnen, in die Umgebungsluft zu entweichen.

Blasen bilden sich in einer Flüssigkeit normalerweise nicht spontan. Eine Flüssigkeit besteht aus Molekülen, die gerne zusammenkleben, daher sind die Moleküle an der Flüssigkeitsgrenze etwas unzufrieden. Das führt zu Oberflächenspannung, eine Kraft, die darauf abzielt, die Oberfläche zu verringern. Da Blasen die Oberfläche vergrößern, verdrängen Oberflächenspannung und Flüssigkeitsdruck normalerweise alle entstehenden Blasen sofort wieder.

Aber raue Stellen auf der Oberfläche eines Behälters, wie die Gravuren in manchen Champagnergläsern, können neue Blasen vor der erdrückenden Wirkung der Oberflächenspannung schützen und ihnen die Möglichkeit geben, sich zu bilden und zu wachsen.

Blasen bilden sich auch in den mikroskopisch kleinen, röhrenförmigen Stofffasern, die zurückbleiben, wenn man ein Glas mit einem Handtuch abwischt. In diesen Röhren wachsen die Blasen stetig Sobald sie groß genug sind, lösen sie sich und schweben nach oben, wobei sie Gas aus dem Behälter befördern.

Aber wie viele Champagner-Enthusiasten, die Früchte in ihre Gläser geben, wissen, sind Oberflächenätzungen und kleine Stofffasern nicht die einzigen Orte, an denen sich Blasen bilden können. Einen kleinen Gegenstand wie eine Rosine hinzufügen oder eine Erdnuss zu einem prickelnden Getränk ermöglicht auch das Blasenwachstum. Diese eingetauchten Objekte dienen als verlockende neue Oberflächen, auf denen sich opportunistische Moleküle wie CO₂ ansammeln und Blasen bilden können.

Und sobald genügend Blasen auf dem Objekt gewachsen sind, kann ein Levitationsakt durchgeführt werden. Zusammen können die Blasen das Objekt an die Oberfläche der Flüssigkeit heben. Sobald die Blasen an der Oberfläche angekommen sind, platzen sie und lassen das Objekt wieder nach unten fallen. Dann beginnt der Prozess erneut, in einer periodischen vertikalen Tanzbewegung.

Tanzende Rosinen

Rosinen sind besonders gute Tänzer. Es dauert nur wenige Sekunden, bis sich auf der faltigen Oberfläche einer Rosine genügend Blasen gebildet haben, bevor sie nach oben zu steigen beginnt – auf glatteren Oberflächen ist es für die Blasenbildung schwieriger. Wenn eine Rosine in gerade geöffnetes Mineralwasser getaucht wird, kann sie 20 Minuten lang einen kräftigen Tango tanzen und dann etwa eine weitere Stunde lang einen langsameren Walzer.

Wir fanden heraus, dass Rotation oder Drehung von entscheidender Bedeutung ist große Gegenstände zum Tanzen bringen. Blasen, die an der Unterseite eines Objekts haften, können es in der Luft halten, selbst wenn die oberen Blasen platzen. Aber wenn das Objekt auch nur ein wenig zu rotieren beginnt, drehen die Blasen darunter den Körper noch schneller, was dazu führt, dass noch mehr Blasen an der Oberfläche platzen. Und je früher diese Blasen entfernt werden, desto eher kann das Objekt zu seinem vertikalen Tanz zurückkehren.

Kleine Objekte wie Rosinen drehen sich nicht so stark wie größere Objekte, sondern drehen sich stattdessen und wackeln schnell hin und her.

Den sprudelnden Flamenco modellieren

In der Arbeit haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, um vorherzusagen, wie oft ein Objekt wie eine Rosine an die Oberfläche gelangen würde. In einem Experiment platzierten wir eine 3D-gedruckte Kugel, die als Modell einer Rosine fungierte, in einem Glas mit gerade geöffnetem Mineralwasser. Die Kugel wanderte vom Boden des Behälters nach oben über 750 Mal in einer Stunde.

Das Modell eingebaut die Geschwindigkeit des Blasenwachstums sowie die Form, Größe und Oberflächenrauheit des Objekts. Dabei wurde auch berücksichtigt, wie schnell die Flüssigkeit aufgrund der Behältergeometrie und insbesondere der durch die sprudelnde Aktivität erzeugten Strömung an Kohlensäure verliert.

Mithilfe des mathematischen Modells konnten wir ermitteln, welche Kräfte den Tanz des Objekts am stärksten beeinflussen. Beispielsweise erwies sich der Flüssigkeitswiderstand auf das Objekt als relativ unbedeutend, das Verhältnis der Oberfläche des Objekts zu seinem Volumen war jedoch entscheidend.

Mit Blick auf die Zukunft bietet das Modell auch eine Möglichkeit, einige schwer messbare Größen mithilfe einfacher messbarer Größen zu bestimmen. Allein durch die Beobachtung der Tanzfrequenz eines Objekts können wir beispielsweise auf mikroskopischer Ebene viel über seine Oberfläche erfahren, ohne diese Details direkt sehen zu müssen.

Verschiedene Tänze in verschiedenen Theatern

Diese Ergebnisse sind jedoch nicht nur für Liebhaber kohlensäurehaltiger Getränke interessant. Auch in der Natur gibt es übersättigte Flüssigkeiten, zum Beispiel Magma.

Wenn Magma in einem Vulkan näher an die Erdoberfläche steigt, sinkt der Druck schnell ab und gelöste Gase aus dem Inneren des Vulkans stürmen zum Ausgang, genau wie das CO₂ in kohlensäurehaltigem Wasser. Diese austretenden Gase können sich zu großen Hochdruckblasen formen und mit solcher Kraft austreten, dass a kommt es zum Vulkanausbruch.

Die Partikel im Magma tanzen möglicherweise nicht auf die gleiche Weise wie Rosinen im Sodawasser, aber winzige Objekte im Magma können den Ablauf dieser explosiven Ereignisse beeinflussen.

In den letzten Jahrzehnten gab es auch einen Ausbruch anderer Art: Tausende wissenschaftliche Studien widmeten sich aktiver Materie in Flüssigkeiten. Diese Studien befassen sich mit Dingen wie schwimmende Mikroorganismen und das Das Innere unserer mit Flüssigkeit gefüllten Zellen.

Die meisten dieser aktiven Systeme existieren nicht in Wasser, sondern in komplizierteren biologischen Flüssigkeiten, die die zur Erzeugung von Aktivität erforderliche Energie enthalten. Mikroorganismen nehmen Nährstoffe aus der sie umgebenden Flüssigkeit auf, um weiter zu schwimmen. Molekularmotoren befördern Fracht auf einer Autobahn in unseren Zellen, indem sie Energie aus der Umgebung ziehen in Form von ATP aus der Umgebung.

Die Untersuchung dieser Systeme kann Wissenschaftlern dabei helfen, mehr darüber zu erfahren, wie die Zellen und Bakterien im menschlichen Körper funktionieren und wie sich das Leben auf diesem Planeten zu seinem heutigen Zustand entwickelt hat.

Unterdessen kann sich eine Flüssigkeit selbst aufgrund der unterschiedlichen molekularen Zusammensetzung und der sich darin bewegenden Körper seltsam verhalten. Viele neue Studien haben sich beispielsweise mit dem Verhalten von Mikroorganismen in Flüssigkeiten wie Schleim befasst, der sich sowohl wie eine viskose Flüssigkeit als auch wie ein elastisches Gel verhält. Über diese hochkomplexen Systeme müssen Wissenschaftler noch viel lernen.

Während Rosinen in Sodawasser im Vergleich zu Mikroorganismen, die durch biologische Flüssigkeiten schwimmen, recht einfach erscheinen, bieten sie eine leicht zugängliche Möglichkeit, generische Merkmale in diesen anspruchsvolleren Umgebungen zu untersuchen. In beiden Fällen entziehen Körper ihrer komplexen flüssigen Umgebung Energie und beeinflussen diese gleichzeitig, was zu faszinierenden Verhaltensweisen führt.

Neue Erkenntnisse über die physikalische Welt, von der Geophysik bis zur Biologie, werden weiterhin aus Experimenten im Tischmaßstab entstehen – und vielleicht direkt in der Küche.

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