La science du mulet

Il existe une expérience populaire à domicile pour produire un plasma. On coupe un raisin en deux et on met les deux moitiés ensemble dans un four à micro-ondes. Il est pratique de les placer près du bord du plateau rotatif. On peut aussi le faire avec deux raisins non cassés rapprochés. Faites attention, surtout s’il y a des enfants devant vous, toutes les expériences doivent être supervisées par des adultes. Pourquoi cela se produit-il ? Le raisin agit comme une cavité résonante pour les micro-ondes (ondes centimétriques). Lorsque deux cavités sphériques (ou hémisphériques) résonantes sont réunies, le champ électromagnétique se concentre dans la région millimétrique qui les sépare (dont la taille est inférieure à la longueur d’onde). Cela ionise le sodium et le potassium dans la peau du raisin, déclenchant la production de plasma.

Cette nouvelle explication de ce curieux phénomène est publiée dans PNAS. Sur de nombreux sites web, on peut lire qu’il est nécessaire qu’il y ait de la peau entre les deux raisins pour qu’elle agisse comme une sorte de fil électrique ; il est donc recommandé de couper un raisin en deux moitiés en prenant soin de les garder collées l’une à l’autre. Toutefois, cela n’est pas nécessaire, comme le montrent les expériences menées avec des boules d’hydrogel de taille centimétrique, dépourvues de peau, espacées de moins de trois millimètres. Des vidéos réalisées avec des caméras thermiques à haute vitesse ont été confrontées aux résultats des simulations informatiques.

Ce nouveau résultat rappelle beaucoup les plasmons de surface apparaissant entre des nanosphères métalliques ; certains d’entre vous se souviennent peut-être du  » baiser quantique  » entre des nanosphères d’or par Javier Aizpurua et al. dans Nature ( » Plasmon resonances and electron tunneling effect between two gold spheres that « kiss » « , LCMF, 08 Nov 2012). À propos, je vous recommande de regarder la vidéo youtube ci-dessous, qui compile les vidéos des informations supplémentaires contenues dans l’article de Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, Aaron D. Slepkov,  » Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers « , PNAS (19 février 2019), doi : 10.1073/pnas.1818350116. Un sujet aussi frappant a provoqué quelques remous dans les médias hispanophones, comme  » La explicación de por qué las uvas generan plasma en el microondas « , Agencia SINC, 19 fév 2019 (conseillant que  » no conviene hacerlo en casa ni en el colegio sin supervisión « ).

Cette vidéo commence par le plasma créé entre deux hémisphères de raisin maintenus ensemble par un petit morceau de peau (la version plus traditionnelle de l’expérience). Puis l’expérience est répétée avec deux raisins entiers (non coupés) formant ensemble un dimère, qui après l’apparition du plasma se séparent légèrement. Plus tard, l’expérience est montrée avec des billes d’hydrogel, de taille similaire à celle des raisins, qui, une minute avant l’expérience, ont été introduites dans une saumure (NaCl) ; cette dernière étape est fondamentale pour la production du plasma, montrant que le plasma est formé par les ions de la peau du raisin. Enfin, des images prises par une caméra à haute vitesse des raisins (1000 ips) et des billes d’hydrogel (2000 ips) sont montrées ; les oscillations mécaniques induites par l’apparition du plasma sont observées.

La production de plasma est concentrée au point de contact (ou au point le plus proche entre les deux sphères lorsqu’elles sont séparées). À ce stade, des températures d’environ ≈85 °C sont atteintes. Pour le démontrer, on peut utiliser du papier thermique dans la configuration curieuse illustrée sur cette photo. Quinze couches de papier thermique ont été utilisées. L’image montre le résultat après trois secondes d’irradiation par micro-ondes. On observe seulement un point chaud (de taille décroissante au fur et à mesure que les couches s’éloignent du point de contact.

A propos, des expériences ont également été réalisées avec des œufs de caille (diamètre de 24 mm sur le petit axe). Aucun plasma n’est visible à l’œil nu, car en utilisant du papier thermique, des points chauds similaires à l’expérience sur les raisins sont observés.

Cette figure illustre comment les modes résonnants dans les raisins coupés (hémisphères) changent lorsqu’ils sont approchés. À gauche, l’image optique ; au centre, l’image thermographique (obtenue moins de dix secondes après avoir passé les raisins au micro-ondes pendant trois secondes) ; à droite, les prédictions obtenues par des simulations informatiques de l’énergie des modes par la méthode des éléments finis (FEM via COMSOL Multiphysics).

L’avantage des simulations informatiques est qu’elles permettent d’effectuer des mesures (computationnelles) très précises. Cette figure montre l’absorption du champ électrique dans les modes pour une irradiation par des ondes planes à 2,45 GHz se propageant dans la direction z et polarisées dans l’axe x. Dans la partie supérieure, nous supposons un coefficient d’absorption ϵ2=0,2, très inférieur à celui de l’eau, et dans la partie inférieure celui de l’eau, ϵ2=10 (dans les simulations informatiques nous avons utilisé comme constante diélectrique de l’eau ϵ = 79 + 10 i). À gauche, deux sphères en résonance (avec un rayon r = 9,5 mm), au centre, légèrement hors résonance (r = 10 mm) et, à droite, beaucoup plus loin de la résonance (r = 24 mm). L’image en bas à droite montre très bien le champ concentré entre les deux sphères (même si pour expliquer l’expérience, c’est l’image la moins pertinente).

En résumé, un travail très intéressant pour les professeurs de physique et, surtout, pour ceux de physique computationnelle. S’ils l’osent, ils peuvent combiner des mesures expérimentales avec des simulations numériques par ordinateur. Nul doute que vos élèves l’apprécieront.

Cette vidéo explique très bien l’effet. L’effet de l’indice de réfraction de l’eau (~10) réduit la longueur d’onde des micro-ondes (~12 cm) à une taille comparable à celle du raisin (~1,2 cm) ; le raisin se comporte donc comme une cavité résonante.

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