Vetenskapliga upptäckter kräver inte alltid ett högteknologiskt laboratorium eller en rejäl budget. Många människor har ett förstklassigt labb i sina egna hem – sitt kök.
Köket erbjuder många möjligheter att se och utforska vad fysiker kallar mjuk materia och komplexa vätskor. Vardagsfenomen, som att Cheerios samlas i mjölk eller ringar kvar när kaffedroppar avdunstar, har lett till upptäckter i skärningspunkten mellan fysik och kemi och andra smakfulla samarbeten mellan livsmedelsforskare och fysiker.
Två studenter, Sam Christianson och Carsen Grote, och jag publicerade en ny studie i Nature Communications i maj 2024 som dyker in i en annan köksobservation. Vi studerade hur föremål kan sväva i kolsyrade vätskor, ett fenomen som nyckfullt kallas dansande russin.
Studien undersökte hur föremål som russin rytmiskt kan röra sig upp och ner i kolsyrade vätskor i flera minuter, till och med upp till en timme.
En medföljande Twitter-tråd om vår forskning blev viral och samlade över en halv miljon visningar på bara två dagar. Varför fångade just detta experiment så mångas fantasi?
Mousserande vatten och andra kolsyrade drycker brusar av bubblor eftersom de innehåller mer gas än vad vätskan kan bära - de är "övermättade" med gas. När du öppnar en flaska champagne eller en läsk sjunker vätsketrycket och CO₂-molekyler börjar fly till den omgivande luften.
Bubblor bildas vanligtvis inte spontant i en vätska. En vätska är sammansatt av molekyler som gärna håller ihop, så molekyler vid vätskegränsen är lite olyckliga. Detta resulterar i ytspänning, en kraft som försöker minska ytarean. Eftersom bubblor tillför ytarea, pressar ytspänning och vätsketryck normalt ut eventuella bubblor som bildas direkt ur existensen.
Men grova fläckar på en behållares yta, som etsningarna i vissa champagneglas, kan skydda nya bubblor från de krossande effekterna av ytspänning, vilket ger dem en chans att bildas och växa.
Bubblor bildas också inuti de mikroskopiska, rörliknande tygfibrerna som lämnas kvar efter att ha torkat av ett glas med en handduk. Bubblorna växer stadigt i dessa rör och, när de är tillräckligt stora, lossnar de och flyter uppåt och för gas ut ur behållaren.
Men som många champagneentusiaster som lägger frukt i sina glas vet, är ytetsningar och små tygfibrer inte de enda ställena där bubblor kan bildas. Att lägga till ett litet föremål som ett russin eller en jordnöt till en mousserande dryck möjliggör också bubbeltillväxt. Dessa nedsänkta föremål fungerar som lockande nya ytor för opportunistiska molekyler som CO₂ att ackumuleras och bilda bubblor.
Och när tillräckligt många bubblor har vuxit på föremålet kan en levitationshandling utföras. Tillsammans kan bubblorna lyfta upp föremålet till vätskans yta. Väl framme vid ytan poppar bubblorna och släpper föremålet ner igen. Processen börjar sedan igen, i en periodisk vertikal dansande rörelse.
Russin är särskilt bra dansare. Det tar bara några sekunder för tillräckligt med bubblor att bildas på russinens skrynkliga yta innan det börjar stiga uppåt – bubblor har svårare att bildas på slätare ytor. När det tappas i nyss öppnat glittrande vatten kan ett russin dansa en kraftig tango i 20 minuter och sedan en långsammare vals i ytterligare en timme eller så.
Vi fann att rotation, eller spinning, var avgörande för att få stora föremål att dansa. Bubblor som klamrar sig fast vid botten av ett föremål kan hålla det uppe även efter att de översta bubblorna poppar upp. Men om föremålet börjar snurra ens en liten bit, gör bubblorna undertill att kroppen snurrar ännu snabbare, vilket resulterar i att ännu fler bubblor poppar upp vid ytan. Och ju tidigare dessa bubblor tas bort, desto snabbare kan föremålet återgå till sin vertikala dans.
Små föremål, som russin, roterar inte lika mycket som större föremål, utan de vrider sig, snabbt vinglande fram och tillbaka.
I artikeln utvecklade vi en matematisk modell för att förutsäga hur många resor till ytan vi skulle förvänta oss att ett föremål som ett russin skulle göra. I ett experiment placerade vi en 3D-printad sfär som fungerade som ett modellrussin i ett glas nyöppnat kolvatten. Sfären färdades från botten av behållaren till toppen över 750 gånger på en timme.
Modellen inkluderade hastigheten för bubbeltillväxt samt objektets form, storlek och ytjämnhet. Den tog också hänsyn till hur snabbt vätskan förlorar kolsyra baserat på behållarens geometri, och särskilt flödet som skapas av all den bubblande aktiviteten.
Den matematiska modellen hjälpte oss att avgöra vilka krafter som påverkar objektets dans mest. Till exempel visade sig vätskemotståndet på föremålet vara relativt oviktigt, men förhållandet mellan föremålets yta och dess volym var kritiskt.
Med blicken mot framtiden ger modellen också ett sätt att bestämma vissa svårmätta kvantiteter med hjälp av lättare mätbara. Till exempel, bara genom att observera ett objekts dansfrekvens kan vi lära oss mycket om dess yta på mikroskopisk nivå utan att behöva se dessa detaljer direkt.
Dessa resultat är dock inte bara intressanta för älskare av kolsyrade drycker. Övermättade vätskor finns också i naturen – magma är ett exempel.
När magma i en vulkan stiger närmare jordens yta, minskar den snabbt, och lösta gaser från vulkanens insida gör ett streck för utträdet, precis som CO₂ i kolsyrat vatten. Dessa utströmmande gaser kan formas till stora högtrycksbubblor och komma ut med sådan kraft att ett vulkanutbrott uppstår.
Partiklarna i magma kanske inte dansar på samma sätt som russin gör i sodavatten, men små föremål i magman kan påverka hur dessa explosiva händelser utspelar sig.
De senaste decennierna har också sett ett utbrott av ett annat slag - tusentals vetenskapliga studier ägnade åt aktiv materia i vätskor. Dessa studier tittar på saker som simmande mikroorganismer och insidan av våra vätskefyllda celler.
De flesta av dessa aktiva system finns inte i vatten utan istället i mer komplicerade biologiska vätskor som innehåller den energi som krävs för att producera aktivitet. Mikroorganismer absorberar näringsämnen från vätskan runt dem för att fortsätta simma. Molekylära motorer transporterar last längs en motorväg i våra celler genom att dra närliggande energi i form av ATP från miljön.
Att studera dessa system kan hjälpa forskare att lära sig mer om hur cellerna och bakterierna i människokroppen fungerar och hur livet på denna planet har utvecklats till sitt nuvarande tillstånd.
Samtidigt kan en vätska i sig bete sig konstigt på grund av en varierad molekylär sammansättning och kroppar som rör sig inuti den. Många nya studier har tagit upp beteendet hos mikroorganismer i vätskor som slem, till exempel, som beter sig som både en trögflytande vätska och en elastisk gel. Forskare har fortfarande mycket att lära sig om dessa mycket komplexa system.
Medan russin i sodavatten verkar ganska enkla jämfört med mikroorganismer som simmar genom biologiska vätskor, erbjuder de ett lättillgängligt sätt att studera generiska egenskaper i de mer utmanande miljöerna. I båda fallen utvinner kroppar energi från sin komplexa flytande miljö samtidigt som de påverkar den, och fascinerande beteenden uppstår.
Nya insikter om den fysiska världen, från geofysik till biologi, kommer att fortsätta att dyka upp från experiment i bordsskala – och kanske direkt från köket.
