Vlad Krasen
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Une seule goutte de solvant tourbillonne comme un minuscule danseur au sommet d'un bécher d'eau, jetant progressivement de petits morceaux ronds de lui-même jusqu'à ce qu'il ne reste plus rien. Certains qui l'ont vu ont pensé que cela ressemblait à une galaxie en rotation, ou au plus petit ouragan du monde. Tous ceux qui l'ont vu se sont demandé ce qui se passait - et cela inclut les chercheurs qui ont mené l'expérience en 2011..
La goutte magique d'étoiles dissolvantes dans un GIF intitulé "Une goutte de dichlorométhane sur l'eau disparaît en s'évaporant", a publié jeudi 11 janvier sur le forum r / Chemicalreactiongifs de Reddit. Malgré sa nouvelle renommée (plus de 20000 votes positifs dans les 24 premières heures), le GIF est issu d'un article de 2011 publié dans la revue allemande de chimie Angewandte Chemie.
La thèse de l'article était simple: lorsque vous libérez une goutte de solvant dichlorométhane (DCM) dans un bécher d'eau savonneuse, cela a l'air vraiment très cool. [Album: photos primées prises au microscope]
“C'est une expérience très simple et un phénomène très compliqué,” a déclaré Oliver Steinbock, professeur de chimie à la Florida State University et auteur principal de l'étude. «Nous avons été très surpris par cela - et nous sommes toujours.”
Pour mettre en place l'expérience, Steinbock et ses collègues chercheurs ont rempli plusieurs béchers avec diverses concentrations d'eau et un désinfectant de laboratoire commun appelé CTAB. À l'aide d'une pipette, ils ont ajouté une seule goutte de DCM - un liquide incolore parfois utilisé comme dégraissant - dans chaque bécher et filmé les résultats. Chaque essai a duré environ 20 à 30 secondes au total et était visible à l'œil nu.
Alors, qu'est-ce qui se passe ici?
Chaque goutte de DCM, qui a un point d'ébullition relativement bas, a commencé à s'évaporer dès qu'elle a quitté la pipette. Mais les surprises ont commencé lorsque les gouttelettes ont touché la solution d'eau savonneuse.
"Le DCM a une densité plus élevée que l'eau, vous vous attendez donc à ce qu'il coule tout de suite", a déclaré Steinbock. «Mais au contraire, dès qu’elle touche l’eau, une partie s’étale et crée ce genre de film qui retient la gouttelette à la surface de l’eau… c’est comme un bateau qui maintient la goutte à flot..” (Bien que le film DCM ne soit pas visible dans le GIF viral ci-dessus, vous pouvez le voir clairement dans plusieurs autres vidéos de l'expérience que Steinbock a postées sur YouTube.)
Malgré ce film semblable à un bateau, une petite partie de la gouttelette commence à couler. Il n'est pas visible du point de vue de haut en bas de ce GIF; cependant, un minuscule jet de bulles tombantes se forme sous la gouttelette une fois qu'elle touche l'eau. Le jet DCM qui tombe réduit lentement le volume de la gouttelette, mais la fait également tourner. "C'est un peu comme lorsque vous tirez la chasse d'eau", a déclaré Steinbock. "L'eau a tendance à commencer à tourner et à se tordre. Et cela déclenche la rotation de la goutte que nous commençons à voir."
En quelques secondes, la gouttelette flotte, tourne et s'évapore à la fois. En raison de ces forces combinées, de plus petites gouttelettes commencent finalement à se désengager du bord de la plus grosse gouttelette. Mais au lieu de s'enfoncer, ils tirent radialement, se déplaçant tout droit sur la surface du film jusqu'à ce qu'ils s'évaporent eux-mêmes.
"Ces gouttelettes sont autopropulsées", a déclaré Steinbock. Cela est dû à un phénomène appelé effet Marangoni, qui déclare qu'un liquide avec une tension superficielle élevée tirera plus fortement qu'un liquide avec une tension superficielle faible. Cette différence de tension crée une force sur le système qui peut entraîner un mouvement.
Au fur et à mesure que le DCM de l'expérience commence à s'évaporer, la tension de surface de la gouttelette diminue de l'extérieur vers l'intérieur. une trajectoire «balistique». Chaque gouttelette individuelle se déplace tout droit jusqu'à ce que sa tension superficielle devienne également instable, conduisant à une fragmentation supplémentaire. Finalement, les gouttelettes se sont divisées tellement de fois qu'elles ne peuvent plus être vues. (Un article publié en 2017 dans Physical Review Letters explique le phénomène plus en détail.)
Ces forces et d'autres continuent de tourner et de rétrécir la grosse gouttelette de DCM jusqu'à ce que, soudainement, elle perde sa symétrie et se transforme follement en évaporation totale. Pourquoi le système passe soudainement d'un état de symétrie apparente à un chaos entropique total déroute même Steinbock et ses collègues chercheurs. Au cours d'une demi-douzaine d'expériences, ils n'ont pas été en mesure de recréer les modèles exacts vus dans ce GIF. "J'étais un peu découragé de comprendre à quel point c'est vraiment compliqué", a déclaré Steinbock.
Si compliquée qu'elle soit, cette petite goutte de solvant parlait néanmoins de quelque chose d'intrinsèque et de pur chez beaucoup de ceux qui l'ont vue. Comme l'a dit l'utilisateur de Reddit, MurderSlinky: "Jamais auparavant je n'avais autant parlé d'un gif que de ce minuscule point insignifiant de liquide tournant sans but dans une mer sans fin et indifférente tout en devenant lentement rien."