La scienza del mulo di Francesco

C’è un popolare esperimento domestico per produrre un plasma. Si taglia un acino d’uva a metà e si mettono le due metà insieme in un forno a microonde. È conveniente posizionarli vicino al bordo del vassoio rotante. Si può anche fare con due acini d’uva non rotti vicini. Fate attenzione, soprattutto se ci sono bambini davanti a voi, tutti gli esperimenti devono essere supervisionati da adulti. Perché succede questo? L’uva agisce come una cavità risonante per le microonde (onde centimetriche). Quando due cavità sferiche (o emisferiche) risonanti vengono avvicinate, il campo elettromagnetico si concentra nella regione millimetrica che le separa (la cui dimensione è inferiore alla lunghezza d’onda). Questo ionizza il sodio e il potassio nella buccia dell’uva, innescando la produzione di plasma.

Questa nuova spiegazione di questo curioso fenomeno è pubblicata in PNAS. In molti siti web si può leggere che è necessario che ci sia la buccia tra i due acini d’uva per agire come una sorta di filo elettrico; quindi si raccomanda di tagliare un acino d’uva in due metà con cura per tenerle attaccate insieme. Tuttavia, questo non è necessario, come dimostrano gli esperimenti con palline di idrogel di dimensioni centimetriche, che non hanno pelle, a meno di tre millimetri di distanza. I video con telecamere termiche ad alta velocità sono stati confrontati con i risultati delle simulazioni al computer.

Il nuovo risultato ricorda molto i plasmoni di superficie che appaiono tra nanosfere metalliche; alcuni di voi potrebbero ricordare il “bacio quantico” tra nanosfere d’oro di Javier Aizpurua et al. in Nature (“Plasmon resonances and electron tunneling effect between two gold spheres that “kiss”,” LCMF, 08 Nov 2012). A proposito, vi consiglio di guardare il video youtube qui sotto, che raccoglie i video delle informazioni supplementari nel documento di Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, Aaron D. Slepkov, “Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers,” PNAS (19 Feb 2019), doi: 10.1073/pnas.1818350116. Un argomento così eclatante ha suscitato un po’ di scalpore nei media di lingua spagnola, come “La explicación de por qué las uvas generan plasma en el microondas”, Agencia SINC, 19 febbraio 2019 (consigliando che “no conviene hacerlo en casa ni en el colegio sin supervisión”).

Questo video inizia con il plasma creato tra due emisferi di uva tenuti insieme da un piccolo pezzo di pelle (la versione più tradizionale dell’esperimento). Poi l’esperimento viene ripetuto con due acini interi (non tagliati) insieme a formare un dimero, che dopo la comparsa del plasma si separano leggermente. Più tardi l’esperimento viene mostrato con perle di idrogel, di dimensioni simili all’uva, che un minuto prima dell’esperimento sono state introdotte in una salamoia (NaCl); quest’ultimo passo è fondamentale per la produzione del plasma, dimostrando che il plasma è formato da ioni della buccia dell’uva. Infine, sono mostrate immagini di telecamere ad alta velocità sia dell’uva (1000 fps) che delle perle di idrogel (2000 fps); si osservano oscillazioni meccaniche indotte dalla comparsa del plasma.

La produzione di plasma si concentra nel punto di contatto (o nel punto più vicino tra le due sfere quando sono separate). A quel punto si raggiungono temperature di circa ≈85 °C. Per dimostrarlo, la carta termica può essere usata nella curiosa configurazione mostrata in questa fotografia. Sono stati utilizzati quindici strati di carta termica. L’immagine mostra il risultato dopo tre secondi di irradiazione a microonde. Si osserva solo un punto caldo (di dimensioni decrescenti man mano che gli strati si allontanano dal punto di contatto.

A proposito, sono stati fatti esperimenti anche con uova di quaglia (24 mm di diametro sull’asse minore). Nessun plasma è visibile ad occhio nudo, per l’utilizzo di carta termica si osservano punti caldi simili all’esperimento dell’uva.

Questa figura illustra come i modi di risonanza nell’uva tagliata (emisferi) cambiano quando vengono avvicinati. A sinistra l’immagine ottica; al centro l’immagine termografica (ottenuta meno di dieci secondi dopo aver micro-riscaldato l’uva per tre secondi; a destra le previsioni ottenute con simulazioni al computer dell’energia dei modi utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM tramite COMSOL Multiphysics).

Il vantaggio delle simulazioni al computer è che permettono misure (computazionali) molto accurate. Questa figura mostra l’assorbimento del campo elettrico nei modi per l’irradiazione con onde piane a 2,45 GHz che si propagano nella direzione z e polarizzate sull’asse x. Nella parte superiore assumiamo un coefficiente di assorbimento ϵ2=0,2, molto più basso di quello dell’acqua, e nella parte inferiore quello dell’acqua, ϵ2=10 (nelle simulazioni al computer abbiamo usato come costante dielettrica dell’acqua ϵ = 79 + 10 i). A sinistra, due sfere in risonanza (con raggio r = 9,5 mm), al centro, leggermente fuori risonanza (r = 10 mm) e, a destra, molto più lontano dalla risonanza (r = 24 mm). L’immagine in basso a destra mostra molto bene il campo concentrato tra le due sfere (anche se per spiegare l’esperimento è l’immagine meno rilevante).

In sintesi, un lavoro molto interessante per gli insegnanti di fisica e, soprattutto, per quelli di fisica computazionale. Se osano, possono combinare misure sperimentali con simulazioni numeriche al computer. Senza dubbio i tuoi studenti si divertiranno.

Questo video spiega molto bene l’effetto. L’effetto dell’indice di rifrazione dell’acqua (~10) riduce la lunghezza d’onda delle microonde (~12 cm) a una dimensione paragonabile all’uva (~1,2 cm); così l’uva si comporta come una cavità risonante.

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