Che cosa mette in moto questi liquidi?

In questo video di Veritasium potete osservare il comportamento strano di alcune gocce di acqua e colorante alimentare. Alcune gocce si attraggono a vicenda e si fondono, altre invece si rincorrono senza mai fondersi l’un l’altra. Questo comportamento assomiglia al moto osservabile nel piccolo mondo dei microorganismi. Potete provare voi stessi a fare quest’esperimento da casa, basta prendere del semplice colorante alimentare e diluirlo in acqua distillata a diverse concentrazioni. Quindi prendete un vetrino da microscopio e passatelo sopra una fiamma per circa 30 secondi. Quando si sarà raffreddato potrete posare sul vetrino piccole gocce delle diluizioni di colorante, mettendo assieme gocce di diverse concentrazioni. Osserverete che gocce dalla concentrazione di colorante simile si attraggono e si fondono, mentre gocce con diverse concertazioni di colorante si rincorrono senza mai unirsi. Usando un marcatore indelebile, che è liposolubile, potete disegnare dei percorsi lungo il vetrino e far correre due gocce dalla diversa concentrazione lungo questo percorso, oppure dividere il vetrino in diverse sezioni e osservare che l’attrazione tra gocce dalla concentrazione simile si attraggono anche senza essere a diretto contatto.

Qual è il meccanismo che permette questo strano comportamento? La risposta sta nell’evaporazione: ciascuna goccia è in costante evaporazione, è quindi circondata da un guscio di vapore. La velocità di evaporazione dipende dall’umidità dell’aria: più secca è l’aria circostante, più veloce è l’evaporazione. Quindi quando due gocce dalla concentrazione simile sono vicine, l’umidità tra le due gocce è più alta dell’umidità attorno a loro, quindi l’evaporazione avviene più in fretta attorno alle gocce, ma non tra le due gocce, il che spinge le gocce l’una verso l’altra fino a fondersi. La differenza nella velocità di evaporazione è la forza che spinge le due gocce ad unirsi.

Questo però non spiega completamente il fenomeno osservato. I coloranti alimentari sono una miscela omogenea di due molecole: l’acqua e glicole propilenico. Benché miscibili queste due molecole hanno diverse proprietà. L’acqua evapora più in fretta, poiché più leggera ed ha una maggiore tensione superficiale grazie ai suoi legami idrogeno. La presenza di gradienti nella tensione superficiale permette la comparsa di strani comportamenti.


Possiamo vedere questo concetto prendendo una bacinella d’acqua ed aggiungendo a questa del pepe in polvere che rimanendo in superficie ci permette di vedere eventuali spostamenti delle molecole d’acqua in superficie. Se ora aggiungiamo una goccia di sapone al centro della bacinella osserviamo che l’acqua in superficie viene spinta lontana dalla goccia di sapone. Questo succede perchè il sapone ha una minore tensione superficiale rispetto all’acqua. Immaginate come una tiro alla fune: prima che venisse aggiunta la goccia di sapone, tutte le molecole d’acqua tiravano tra di loro con una forza simile, annullandosi a vicenda. Dopo aver aggiunto la goccia di sapone la tensione superficiale nel centro della bacinella è diminuita e la tensione verso l’esterno essendo, maggiore di quella al centro, ha tirato verso l’esterno le molecole d’acqua che erano al centro. Questo moto ha il nome di “flusso di Marangoni”. Quello che succede alle gocce di colorante segue questo stesso principio: gocce di concentrazione simile si attraggono e fondono per la maggiore umidità che si crea tra le due gocce. Gocce con diversa concentrazione di colorante si attraggono, spinte dalla maggior umidità nel centro, ma allo stesso tempo si spingono a vicenda a causa della diversa tensione superficiale che dovuta alle diverse concentrazione di glicole propilenico.

Guardando il comportamento di queste gocce ricorda molto da vicino il comportamento delle cellule, le quali sono in grado di seguire fonti di cibo, ad esempio, tramite il processo di chemiotassi. Quello che avviene nelle gocce di colorante è molto simile ed è stato chiamato infatti “chemiotassi artificiale”. Tuttavia non dovrebbe sorprendere quanto molto simile questi eventi siano rispetto a quanto avviene tra le cellule. L’evoluzione dopotutto è iniziata per la tendenza intrinseca di diverse molecole di formarsi e dividersi, di attrarsi e respingersi. Dopo miliardi di anni di selezione naturale si sono formati organismi in grado di usare queste tendenze naturali delle molecole in modalità che possono sembrare miracolosi e che permettono la vita come la conosciamo.

In caso si volesse provare a casa quest’esperimento si consiglia di fare attenzione durante il procedimento di riscaldamento del vetrino. Questo processo è necessario a permettere il moto delle gocce in quanto permette di rompere legami molecolari nella superficie del vetrino che l’acqua utilizza per muoversi velocemente. Tuttavia il forte riscaldamento causa l’espansione del vetrino che raffreddandosi potrebbe frantumarsi.

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