L'affascinante scienza delle bolle, dal sapone allo champagne | Li Wei Tan 

In questo bizzarro discorso e dimostrazione dal vivo, lo scienziato Li Wei Tan condivide i segreti delle bolle - dalla loro incessante ricerca della perfezione geometrica alle loro applicazioni in medicina e nautica, dove i progettisti creano imbarcazioni più efficienti imitando le bolle create dai pinguini nuotatori. Scopri di più su queste meraviglie matematiche e attingi dalla magia nascosta nel mondo di tutti i giorni.

Alcuni anni fa, stavo visitando Parigi e camminando lungo la Senna durante un bellissimo pomeriggio estivo. Vidi delle bolle giganti fluttuare sulla riva del fiume, come queste. Un attimo dopo essere spuntate, sparivano.

A farle erano due artisti di strada circondati da una folla. Si guadagnano da vivere evidentemente chiedendo donazioni e vendendo coppie di bastoncini legati con due corde. Quando ero lì, un uomo ha comprato un paio di bastoncini per 10 euro, il che mi ha sorpreso. Sono uno scienziato appassionato di bolle. Conosco il trucco giusto per rendere le bolle giganti, la giusta miscela di acqua e sapone - non sono esperta di bastoncini, che possono essere forse necessari, ma puoi facilmente farli a casa. Concentrarsi sui bastoni non ci fa vedere che il vero strumento è la bolla stessa. Le bolle potrebbero sembrare qualcosa che solo i bambini fanno mentre giocano, ma a volte può essere davvero sorprendente.

Tuttavia, esistono scienze più affascinanti legate alle bolle, come gli strumenti per la risoluzione dei problemi. Quindi vorrei condividere con voi alcune storie sulla scienza per la creazione di bolle e sulla scienza per eliminare quelle microscopiche.

Visto che è sullo schermo, iniziamo con la bolla di sapone. È fatta da sostanze molto comuni: aria, acqua, sapone, nella giusta miscela. Si può vedere che le bolle di sapone cambiano costantemente i loro colori. Ciò è dovuto all'interazione con la luce in varie direzioni e ai cambiamenti del loro spessore. Una delle sostanze comuni, le molecole d'acqua, sono formate da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno - H2O. Sulla maggior parte delle superfici, le goccioline d'acqua tendono a piegarsi verso l'interno, formando una forma semi-emisferica. Questo perché la superficie della gocciolina d'acqua è come un foglio elastico. La molecola d'acqua sulla superficie viene costantemente tirata verso l'interno dalla molecola al centro. E la qualità dell'elasticità è ciò che chiamiamo "tensione superficiale". Ora aggiungendo il sapone, ciò che accade è che la molecola di sapone riduce la tensione superficiale dell'acqua, rendendola più elastica e più adatta a formare bolle. Puoi pensare a una bolla come a un risolutore di problemi matematici. Lo vedi inesorabilmente cercando di raggiungere la perfezione geometrica. Ad esempio, una sfera è la forma con l'area di superficie minima per un dato volume. Ecco perché una singola bolla ha sempre la forma di una sfera.

Ora vi faccio vedere. Guardate. Questa è una singola bolla. Quando due bolle si toccano, possono risparmiare materiale condividendo una parete comune. Man mano che vengono aggiunte nuove bolle, la loro geometria cambia. Queste quattro bolle sono unite insieme. Si incontrano in un punto al centro. Quando vengono aggiunte sei bolle insieme, al centro appare un cubo magico.
(Applausi)
Questa è la tensione superficiale al lavoro, che cerca di trovare la disposizione geometrica più efficace.

Ora vi faccio vedere un altro esempio. Questo è un oggetto molto semplice. Questo è fatto da due strati di plastica con quattro perni collegati tra loro. Immagina che questi quattro perni rappresentino quattro città ugualmente distanti; vorremmo creare strade per collegare queste quattro città. La mia domanda è: qual è la lunghezza più breve per collegare queste quattro città? Scopriamo la risposta immergendola nell'acqua saponata. Ricordate: le forme a bolle di sapone cercheranno sempre di minimizzare la loro area superficiale con una disposizione geometrica perfetta. La soluzione potrebbe non essere qualcosa che ti aspettavi. La lunghezza più breve per connettere queste quattro città è 2,73 volte la distanza tra queste due città.
(Applausi)
Ora è chiaro. Le forme a bolle di sapone cercheranno sempre di minimizzare la loro area superficiale con una disposizione geometrica perfetta.

Ora, guardiamo le bolle da un'altra prospettiva. Mia figlia, Zoe, adora visitare gli zoo. Il suo posto preferito è Penguin Cove allo zoo di Marwell nel sud dell'Inghilterra, dove poteva vedere i pinguini nuotare in velocità sott'acqua. Un giorno, notò che il corpo dei pinguini lascia una scia di bolle quando nuotano e chiese: perché?

Animali e uccelli come i pinguini, che trascorrono molto del loro tempo sott'acqua, hanno sviluppato un modo ingegnoso per utilizzare la capacità delle bolle di ridurre la densità dell'acqua. Si pensa che i pinguini imperatori siano in grado di immergersi a poche centinaia di metri sotto la superficie del mare. Si pensa che possano immagazzinare l'aria sotto le loro piume prima di immergersi e poi progressivamente rilasciarla come una nuvola di bolle. Questo riduce la densità dell'acqua che li circonda, rendendo più facile nuotare e aumentare la velocità di nuoto di almeno il 40%.

Questa caratteristica è stata notata dai produttori di navi. Sto parlando delle grandi navi, quelle che vengono utilizzate per trasportare migliaia di container attraverso l'oceano. Di recente, hanno sviluppato un sistema chiamato "sistema di lubrificazione ad aria", ispirato dai pinguini. In questo sistema, producono molte bolle d'aria e le ridistribuiscono su tutta la nave, come un tappeto d'aria che riduce la resistenza all'acqua quando una nave si muove. Questa funzione riduce il consumo di energia della nave fino al 15%.

Le bolle possono essere utilizzate anche per i farmaci. Possono anche svolgere un ruolo nei farmaci, ad esempio, come metodo per sistemi di somministrazione non invasivi di farmaci e geni a una parte specifica del corpo. Immagina una microbolla piena di una miscela di farmaci e agenti magnetici iniettati nel nostro sangue. Le bolle si sposteranno nelle aree bersaglio. Ma come fanno a sapere dove andare? Perché abbiamo posizionato un magnete lì. Per esempio, in questa parte della mia mano. Quando le microbolle si muovono in questa parte della mia mano, possiamo farle scoppiare tramite ultrasuoni e rilasciare il farmaco esattamente dove è necessario.

Ho parlato della scienza della creazione di bolle. Ma a volte dobbiamo anche rimuoverle. Questo è in realtà parte del mio lavoro. Il mio titolo di lavoro esatto è "scienziato di formulazione dell'inchiostro". Ma non lavoro sull'inchiostro che usi per le tue penne per scrivere.

Io sto lavorando su alcune applicazioni interessanti come il fotovoltaico organico, gli OPV e i diodi organici a emissione di luce, gli OLED. Parte del mio lavoro è capire come e perché vogliamo rimuovere le bolle dall'inchiostro che la mia azienda produce.

Durante il processo di miscelazione della formulazione, o processo di preparazione, misceliamo ingredienti attivi, solventi e additivi per ottenere le formulazioni con le proprietà che vogliamo quando viene utilizzato l'inchiostro. Ma proprio come si farebbero le bevande o si cuociono le torte, è inevitabile che alcune bolle d'aria rimangano intrappolate dentro quell'inchiostro. Qui, stiamo parlando di uno spazio diverso dalle bolle che avevo visto a Parigi. Le bolle intrappolate all'interno di questi inchiostri variano da pochi millimetri a pochi micron o anche a pochi nanometri.

E ciò di cui ci preoccupiamo sono l'ossigeno e l'umidità intrappolate all'interno. Con queste dimensioni, rimuoverle non è facile. Ma è importante, ad esempio, per gli inchiostri per diodi organici a emissione di luce che possiamo usare per produrre display per gli smartphone, per esempio. Dovrebbero durare per molti anni, ma se l'inchiostro che usiamo è stato assorbito con ossigeno e umidità che non vengono rimossi, allora possiamo vedere rapidamente che appaiono dei punti scuri nei pixel.

Una difficoltà che affrontiamo nel rimuovere le microbolle è dovuta al fatto che non sono molto collaborative. A loro piace sedersi lì, facendo il bagno nell'inchiostro senza muoversi molto. Ma come le buttiamo fuori? Una tecnologia che usiamo è quella di forzare l'inchiostro a passare attraverso un tubo sottile, lungo e minuscolo, con una parete porosa, e posizionare i tubi all'interno della camera del vuoto, in modo che le bolle possano essere espulse dall'inchiostro e rimosse.

Una volta che riusciamo a rimuovere le bolle dall'inchiostro che produciamo, possiamo festeggiare. Apriamo uno spumeggiante champagne. Ooh, sarà divertente!
(Risate)
Woooo!
(Applausi)

Si possono vedere un sacco di bolle fuoriuscire dalla bottiglia di champagne. Queste sono le bolle piene di anidride carbonica, un gas che è stato prodotto durante il processo di fermentazione del vino. Ne verso un po'. Non posso perdere l'occasione.
Immagino sia abbastanza.
(Risate)
Qui, vedo un sacco di microbolle che si muovono dal fondo del bicchiere verso la superficie in alto. Le microbolle spruzzeranno minuscole goccioline di molecole aromatiche e intensificheranno il sapore, facendoci gustare molto di più il sapore dello champagne.

Essendo uno scienziato appassionato di bolle, adoro guardarle, mi piace giocare con loro e mi piace studiarle

E anche, Adoro berle.

Grazie.
(Applausi)

https://youtu.be/ez7HOFKTtH0