CO₂ в газировке растворен под давлением в несколько раз выше атмосферного. На заводе его закачивают в охлажденную жидкость, а потом герметично закупоривают бутылку. Когда бутылку открывают, давление над жидкостью падает, растворимость падает вместе с ним — жидкость на мгновение становится пересыщенной, и избыток CO₂ начинает искать выход. А когда вы наливаете газировку в стакан, вы можете наблюдать этот излишний газ в виде ровных цепочек пузырьков. Но тут есть загвоздка: чтобы образовался пузырек, нужен зародыш — крошечный пузырек газа, уже существующий на поверхности или в толще жидкости.
На идеально ровной поверхности такого зародыша нет. Растворенный CO₂ будет тихо уходить через поверхность жидкости — без шипения, без видимых пузырьков. Это называется гетерогенная нуклеация: пузырьки рождаются не сами по себе, а на дефектах поверхности, где спрятан газ. Без дефекта нечему стать зародышем.
Виновато полотенце
Логичный вопрос — что тогда считать дефектом в обычном стакане, если он выглядит идеально чистым? Царапины на стекле — один из вариантов, но не главный. Жерар Лигер-Белер из Реймского университета, который изучает физику газированных напитков с начала 2000-х годов, установил: в обычном стакане основные нуклеационные центры — это целлюлозные волокна. Они попадают со льняного полотенца или бумажной салфетки, которой вы протерли посуду после мытья, и прилипают к стенке. Работы Лигер-Белера выходили в журналах Langmuir и Journal of Physical Chemistry B.
Каждое такое волокно — полая трубка длиной около 100 мкм. Внутри застревает пузырек воздуха. Растворенный CO₂ начинает диффундировать внутрь, пузырек растет — и когда выталкивающая сила Архимеда превышает силу поверхностного натяжения, пузырек отрывается и уплывает вверх. На его месте тут же начинает расти следующий. И так по кругу.
Тридцать раз в секунду
Если каждое волокно работает как отдельный насос, логично спросить, с какой скоростью. Из одного нуклеационного центра пузырьки выходят с постоянным ритмом. Лигер-Белер замерял частоту для разных центров в шампанском: наиболее активные выдают до 30 пузырьков в секунду. Именно поэтому цепочка выглядит почти непрерывной — промежуток между пузырьками слишком мал, чтобы его уловить глазом.
Частота зависит от концентрации CO₂ в напитке и от геометрии нуклеационного центра. Чем больше газа растворено и чем крупнее полость волокна, тем быстрее идет работа. Центры с более узким устьем работают медленнее — вот почему в одном стакане разные цепочки пузырьков движутся с разной скоростью.
Чистый стакан — тихий стакан
Раз именно волокна запускают весь процесс, эту связь легко проверить от обратного: убрать волокна и посмотреть, что случится. Стакан, вымытый с моющим средством и тщательно ополоснутый, шипит заметно тише. Причин две. Первая: детергент вымывает целлюлозные волокна, которые служили нуклеационными центрами. Вторая: остатки поверхностно-активных веществ заполняют мелкие дефекты поверхности, и новым центрам сложнее сформироваться.
В пивных барах это давно учли. Профессиональные пивные бокалы специально этируют лазером — выжигают на дне или стенке крошечные точки, обеспечивая стабильные нуклеационные центры при любой степени чистоты стакана. Без этого идеально вымытый бокал даст плоское, почти непенящееся пиво — выглядит несвежим, хотя по составу ничем не отличается от нормального.
Пузырек, который не отпускают
Весь механизм держится на одной вещи, которую мы обычно не замечаем, — гравитации: именно она перевешивает поверхностное натяжение и отрывает пузырек от волокна. Что будет, если убрать из уравнения эту силу, хорошо видно в космосе.
В невесомости нет выталкивающей силы: пузырек, выросший на нуклеационном центре, никуда не уплывает. Он остается на месте и продолжает поглощать CO₂ из жидкости — пока не разрастется в объем, сравнимый с самим стаканом, или вся жидкость не превратится в пену.
Именно поэтому в 1985 году, во время первого «газировочного соревнования» на шаттле STS-51-F, Coca-Cola и Pepsi использовали специально разработанные банки с клапанами и дозаторами. Обычная банка дала бы пену вместо напитка.
В следующий раз, когда вы увидите ровные цепочки пузырьков в стакане с газировкой, знайте — дело не в царапинах на дне. Скорее всего, там сидит несколько целлюлозных волокон от кухонного полотенца — и каждое методично, до тридцати раз в секунду, отправляет вверх новый пузырек CO₂.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
