C'est un mystère de la physique auquel, sans le savoir, nous sommes confrontés tous les jours. Il a été identifié il y a près d'un siècle par le physicien japonais Torahiko Terada dans... sa tasse de thé chaud. Celle-ci a donné son titre à un essai du chercheur (
Chawan No Yu en japonais), publié en 1922, dans lequel Terada s'étonnait de l'incroyable palette de processus physiques qui prenaient vie dans sa boisson bouillante : convection, condensation, tourbillons, etc. Autant de phénomènes que l'on pouvait identifier à plus grande échelle dans la nature. Et parmi ceux-ci, une énigme, cette mince pellicule blanche, flottant à la surface de son thé, et que l'on retrouve aussi à la surface d'un café bien chaud, comme on peut le voir sur la photographie ci-dessus. Une énigme tenace à laquelle vient de s'attaquer une équipe de chercheurs japonais,
dans une étude publiée il y a quelques jours par Scientific Reports.
Disons-le d'emblée, contrairement à ce que l'on pourrait imaginer, ce film blanchâtre qui, parfois, se fendille en un instant et se divise en petits continents, n'a rien à voir avec la nature de la boisson et ne constitue pas, par exemple, un résidu issu du chauffage du café ou du thé. Il est en réalité lié à l'eau très chaude et le café (ou le thé s'il est bien sombre) ne sert, de par sa couleur foncée, que de "révélateur" en raison du contraste qu'il offre. En 1971, le chimiste américain Vincent Schaefer avait émis l'idée d'une brume : la pellicule serait un assemblage de minuscules gouttes d'eau, trop grosses pour s'évader dans l'air sous forme de vapeur, mais trop petites pour contrer le mouvement ascendant causé par l'évaporation de surface. Finalement, les gouttelettes seraient... en lévitation à la surface du café.
Pour en avoir le cœur net et comprendre ce qui se passe réellement dans la tasse, notre équipe japonaise a mis au point un dispositif expérimental simple : on verse de l'eau très chaude (de 60 à 90° C) dans un récipient et on regarde la surface au microscope tout en filmant son évolution. Pour éviter que la condensation ne se dépose sur la lentille, le récipient était transparent et la surface observée par dessous. Premier enseignement, la pellicule est bien constituée de petites gouttes d'environ 10 micromètres de diamètre (pour rappel un micromètre, ou micron, vaut un millième de millimètre). Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous, extraite de l'étude, plus la température de l'eau est élevée, plus les gouttelettes sont nombreuses.
Plus la température est élevée, plus les micro-gouttes sont nombreuses. © Umeki et al./Scientific Reports.
Le deuxième résultat de l'étude est la confirmation d'une partie de l'hypothèse émise par Vincent Schaefer : les micro-gouttes ne sont pas posées à la surface de l'eau mais lévitent bien juste au-dessus, à une distance comprise entre 10 et 100 micromètres. Au terme de ces premières observations, les chercheurs japonais ont été surpris de constater que les fractures de la brume se produisaient à une vitesse éclair, apparaissant bien plus vite que ce que leur caméra classique (30 images par seconde) pouvait enregistrer. Ils ont donc reproduit l'expérience avec une caméra rapide capable de capter jusqu'à 8 000 images à la seconde. A l'aide de cet instrument plus performant, ils ont découvert que ces fissures étaient provoquées par la chute dans l'eau d'une seule des micro-gouttes, qui en entraînait d'autres avec elle dans une sorte de cascade.
Comme c'est fréquemment le cas en science, lorsqu'une expérience vise avant tout à regarder de plus près un phénomène, la meilleure résolution des images répond à certaines questions tout en en soulevant de nouvelles... Ainsi, les chercheurs nippons ne sont pas sûrs que l'explication de Schaefer sur la formation de la brume soit correcte. Pour eux, l'assemblage des gouttes selon un treillis évoque plutôt le fait que celles-ci sont électriquement chargées : la lévitation pourrait donc être due à un phénomène électro-statique. Dans cette hypothèse, l'effondrement d'une goutte, qui provoque les fissurations rapides de la pellicule, s'expliquerait par la disparition subite de sa charge électrique. Les auteurs vont jusqu'à émettre l'hypothèse que cette annihilation de la charge pourrait être provoquée par une rencontre avec une particule issue du rayonnement cosmique – on estime ainsi qu'au niveau du sol chaque centimètre carré reçoit en moyenne un muon, particule négativement chargée, par minute. Ce scénario n'était évidemment pas testable lors de l'expérience mais il a le mérite, poétique, de relier notre tasse de thé ou de café matinal à l'immensité du cosmos.
Au terme de l'étude, on s'aperçoit donc que, même si l'énigme de la brume de café s'est un peu éclaircie, elle continue de résister à la science. Comme le font remarquer les chercheurs japonais dans la conclusion de leur article, "une tasse de thé chaud continue de nous fournir d'intéressants phénomènes qui méritent un examen scientifique. Le phénomène que nous avons étudié ici peut être observé chaque jour et devrait avoir été remarqué par de nombreux chercheurs. Cependant, très peu de gens semblent avoir imaginé que des phénomènes aussi fascinants se produisent dans une tasse". Gageons que demain matin, au petit déjeuner, vous verrez un monde dans votre boisson chaude, comme par exemple le résumé miniature du couple océan-atmosphère...
É un misterio da física que, sen sabelo, nos enfrontamos cada día. Foi identificada hai case un século polo físico xaponés Torahiko Terada na súa cunca de té quente. Deu o título a un xuízo investigador (No Yu Chawan en xaponés), publicado en 1922, no que se sorprendeu da incrible variedade de procesos físicos que lle quitou a vida na bebida fervendo: convección, condensación, remuíños, etc. Todos os fenómenos que poderían identificar unha escala maior na natureza. E entre estes, un enigma, a película fino branco que flota na superficie do seu té, e que tamén se atopa na superficie dun café quente . Un enigma persistente vén para atacar un equipo de investigadores xaponeses nun estudo publicado hai uns días por informes científicos.
Imos dicir que pura e simple, ao contrario do que se podería imaxinar, esta película branca que, por veces, rachaduras nun instante e divídese en continentes menores, non ten nada que ver coa natureza da bebida e non é, por exemplo, un residuo de calefacción café ou té. É realmente relacionados coa auga quente e café (ou té, se está escuro) serve, pola súa cor escura, como "revelación" por mor do contraste que ofrece. En 1971, o químico norteamericano Vincent Schaefer tiña flutuando a idea dunha néboa: a película sería un minúsculas pingas de auga de montaxe, demasiado grande para escapar á atmosfera como vapor, pero moi pequenas para combater o movemento ascendente causada pola superficie de evaporación. Finalmente, as gotículas son levitar na superficie do café.
Para chegar ao corazón de fondo e entender o que está realmente a suceder no vaso,o noso equipo xaponés desenvolveu unha instalación experimental sinxela: poña auga moi quente (60-90ºC) nun recipiente e a superficie parece baixo o microscopio durante a filmación da súa evolución. Para evitar a condensación na lente non o hai que poñer sobre a lente, o recipiente debe ser transparente e a superficie visto de baixo. Primeira lección, a película está constituída por pequenas pingas de preto de 10 micras de diámetro (lembrar micrómetros ou micra é unha milésima dun milímetro). Como se pode ver na imaxe seguinte, derivada do estudo, maior a temperatura da auga, a maior das gotas son numerosas.
Canto maior sexa a temperatura, máis numerosas son as micro-gotas. O segundo resultado do estudo é a confirmación dunha parte da hipótese por Vincent Schaefer: as micro-gotas non están colocadas sobre a superficie da auga, pero tamén levitar logo enriba, a unha distancia entre 10 e 100 micrómetros. Tras estas observacións iniciais, os investigadores xaponeses estaban sorprendidos ao descubrir que as fracturas do neboeiro ocorreu na velocidade da luz, aparecendo moito máis rápido que a súa cámara convencional (30 imaxes por segundo) podería gravar. Entón, eles reproduciron o experimento cunha cámara rápida que pode capturar ata 8.000 imaxes por segundo. Usando o instrumento máis poderoso, descubriron que as fendas foron causadas pola caída na auga dunha das micro-gotas, o que deu lugar máis con ela nunha especie de fervenza.
Como é frecuentemente o caso na ciencia, cando un experimento está destinado principalmente para ollar máis de preto un fenómeno, as mellores resolucións das imaxes responden a algunhas outras preguntas. Así, os investigadores xaponeses non están por enriba da teoría de Schaefer sobre explicación da formación de néboa. Para eles, o conxunto cae como unha celosía no canto; refírese ao feito de que están electricamente cargadas: levitación pode ser debido a un fenómeno electrostático. Neste caso, a caída dunha gota, o que provoca fisuras rápida de película, explícase pola desaparición súbito da súa carga eléctrica. Os autores van levantar a hipótese de que esa aniquilación da carga pode ser causado por un encontro cun resultado de partículas de raios cósmicos e estímase que cada pulgada cadrada a nivel do chan recibe unha partícula Muon negativamente cada minuto. Ese escenario non era, obviamente, testável no experimento, pero ten o mérito, poética, ligando nosa cunca de té ou café da mañá para a inmensidade do cosmos.
Ao final do estudo, foron, polo tanto, comprobar que, aínda que o enigma de café é unha pequena néboa cancelado, el segue a resistir á ciencia. Como observado por investigadores xaponeses, na conclusión do seu artigo ", unha cunca de té quente segue a proporcionarnos con fenómenos interesantes que merecen unha avaliación científica. O fenómeno que estudamos aquí podese ver todos os días e debería ser notado por moitos investigadores. Con todo, moi poucas persoas parecen ter imaxinado que tales fenómenos fascinantes ocorren nun vaso ". Apostamos que mañá pola mañá no almorzo, vai ver un mundo en unha bebida quente, como resumo en miniatura do océano e da atmosfera.
Iago Placer Dalama, 4º ESO A
