Mentos e Coca-cola

Siamo all’Università dei Monti Appalachi, nella Carolina del Nord, Stati Uniti. È l’anno 2007. La professoressa Tonya Coffey lavora al Dipartimento di Fisica e Astronomia, e più precisamente nel Laboratorio di Microscopia “AppNano”.
Il laboratorio ospita diversi microscopi di ultima generazione, dai nomi preoccupanti: il Microscopio a Fascio Ionico Focalizzato (FIB), il Microscopio Elettronico a Scansione (SEM), il Microscopio a Forza Atomica (AFM), il Microscopio a Effetto Tunnel (STM).

Sono microscopi che permettono di fotografare la materia con un dettaglio di 0.1 nanometri, dando anche informazioni sulla natura dei materiali che si osservano (1 nanometro equivale a un miliardesimo di metro, ovvero a un milionesimo di millimetro).
Questo tipo di microscopi ha avuto una forte spinta per il suo sviluppo dall’industria dei computer, dove vengono usati sui chip miniaturizzati.
Oggi sono molto diffusi e sono utilizzati per le indagini più diverse, e spesso sono presenti nei laboratori di ricerca delle università, che assumono alcuni fisici per tenerli operativi e farli funzionare.
Intorno a questi microscopi, oltre alla ricerca, sorge anche un’attività di “outreach” o divulgazione. I microscopi sono una delle “attrazioni” da visitare quando si visitano i laboratori, e si osservano oggetti quotidiani ingranditi. Ricordo per esempio che all’Università di Trento, al microscopio elettronico, facevano osservare l’elettrodo di carbone di una pila scarica di vecchio tipo, e ci si potevano trovare dentro i fossili di alghe microscopiche...
Con queste attività si racconta questa frontiera della scienza contemporanea, la “nanotecnologia”. Ossia studiare, costruire, controllare la materia sulla scala del nanometro.

L’area di ricerca di Tonya Coffey riguarda la nanotribologia (lo studio dell’attrito su piccolissima scala) e le tecniche sperimentali di microscopia e di alto vuoto necessarie per questi studi. Come molti suoi colleghi che usano questi apparecchi, ogni tanto si dedica anche all’Outreach, a raccontare i microscopi e la nanotecnologia alle classi delle scuole.
Ha anche postato un video sulla sua homepage in cui è al microscopio elettronico con il figlio di otto anni, e lo usa lui (da chi avrà imparato?).

Il corso PHY-2210

All’Università dei Monti Appalachi Tonya Coffey è docente nel corso PHY-2210 per gli studenti della “laurea breve”. Negli Stati Uniti si assegnano sigle e abbreviazioni non solo ai microscopi, ma ogni materia di studio (c’è da perdersi). PHY-2210 è un corso di Fisica Generale e Tecniche di Laboratorio. Questi corsi di laboratorio da noi si chiamavano affettuosamente “fisichetta” e quindi, che dire, PHY-2210 non è poi così male.

Gli studenti di quel corso di laboratorio, come tutti gli studenti, erano colpiti dal fenomeno delle “Mentos nella Coca Cola”. Se uno mette una caramella Mentos in una bottiglia di CocaCola, si ha un’eruzione, un geyser di schiuma. Non c’è niente da fare, è un effetto che è diventato una leggenda metropolitana. Anch’io, quando vado in una classe con una bottiglia di CocaCola per estrarre la CO2, trovo sempre qualcuno che dice “adesso ci butta dentro una Mentos”.

Negli Stati Uniti questo esperimento è molto popolare (e le bottiglie da 2 litri!). Il duo Eepybird realizza degli spettacoli con le eruzioni di Mentos e Coca Cola, usando molte bottiglie. L’effetto è bello, sembrano fontane, fuochi d’artificio, giochi di luce...
 

Anche la trasmissione televisiva Mythbuster aveva dedicato un episodio a questo effetto. Ma è davvero più potente l’esplosione con Coca Coca e Mentos rispetto alle altre bibite e caramelle? E perché?

Raccogliendo l’interesse degli studenti per questo fenomeno, la docente pensò di proporre loro, tra i numerosi esperimenti di un anno accademico, anche una ricerca sulla reazione Mentos Coca Cola.

“Volevo dare ai miei studenti l’esperienza di partecipare a un vero progetto di ricerca, non a un laboratorio preconfezionato” disse la professoressa in una conferenza successiva “ma ammetto che il progetto è esploso ben oltre la mia visione originale...”

Infatti alla ricerca degli studenti sarebbe seguito uno studio della superficie delle caramelle con il SEM e il FIB. E poi un articolo scientifico sul fenomeno, pubblicato nel 2008 sull’American Journal of Physics e un articolo più didattico sulla rivista The Physics Teacher. E poi inviti a tenere conferenze in diverse scuole e università. E il link “Diet Coke and Mentos” sulla sua homepage.

C’è una scienziata professionista che affronta un esperimento popolare di cui parlano tutti, con gli arnesi e la sapienza del suo mestiere.

Come con la candela di Faraday [LINK], o il bicchiere di vino di Feynman, anche le Mentos nella CocaCola riassumono un po’ tutte le leggi che governano l’universo. L’universale nel particolare. C’entrano le reazioni chimiche, la formazione di bolle, i geyser e i fenomeni vulcanici, la tensione superficiale, il moto e il moto dei fluidi... oltre all’industria alimentare con i dolcificanti e i conservanti, e la curiosità per ciò che mangiamo ogni giorno e che non conosciamo...

E così i lettori e gli ascoltatori vogliono una storia: raccontaci come funziona! E parlaci di tutto questo!

La professoressa raccoglie dunque la sfida, con una piacevole ironia. Nelle conferenze [LINK] usa frasi tipo “Quali domande impellenti a cui rispondere mi hanno lasciato i Mythbusters?” e “Perché mai mi interessano così tanto le Mentos?”. E “Se volete leggere il compito assegnato agli studenti che ha portato a tutto questo nonsense, cliccate qui” [LINK] (di seguito in traduzione).

Progetto dell’Esperimento Diet Coke e Mentos

Prima di condurre qualsiasi esperimento, dev’esserci una ricerca alle spalle, bisogna fare un’ipotesi, e progettare attentamente un esperimento. Il compito è di fare questi tre passaggi per il nostro esperimento Diet Coke e Mentos. Io sceglierò i 2 o 3 migliori progetti e noi li condurremo (all’esterno) come classe. È sperabile che sia divertente. Almeno, lo penso.

Queste sono le richieste per il compito scritto.

1. fai una ricerca sul fenomeno Diet Coke – Mentos (ricerca web va bene). Trova idee o ricerche precedenti su questo argomento. Scrivi, con parole tue, 3-4 paragrafi su quanto hai trovato. Cita le referenze.


2. dalla tua ricerca, individua un aspetto che ti piacerebbe testare in classe. Formula un’ipotesi in una o due frasi. Per esempio […]


3. progetta un esperimento per testare la tua ipotesi e scrivilo. Assicurati che sia qualcosa che si può fare facilmente e a basso costo in meno di un’ora. Assicurati che non sia pericoloso (niente prodotti chimici pericolosi come acidi e basi forti o solventi puzzolenti). Posso tranquillamente comprare prodotti non-alcolici al drugstore o alla grocery finché il costo non è esagerato. Sii molto specifico: includi materiali e nomi dei prodotti che vuoi testare. […]. Pensa a tutte le cose discusse in classe per disegnare un buon esperimento. Indica che genere di misure andrai a fare, e come le farai. Indica l’ordine dei passi nel tuo esperimento, indica quante prove vuoi ripetere per ogni passo. Questo scritto dovrebbe essere di diversi paragrafi. Se sono solo poche frasi, stai lasciando fuori molte informazioni importanti.



 
4.  

Questo compito dev’essere scritto a pc. Usa un font minimo 10-12 affinché si possa leggere. Usa grammatica appropriata e controllo ortografia. Non usare linguaggio non professionale. Cerca di scrivere come uno scienziato! Sii essenziale. Sii analitico. Sii maturo. OK?

Molte riviste scientifico-divulgative hanno raccontato i risultati degli esperimenti. New Scientist ha titolato “Spiegata la scienza delle esplosioni Mentos – Diet Coke” e ha riproposto anche alcuni video degli esperimenti [LINK]. Intervistata dal giornale, l’insegnante ha aggiunto che “era un buon esperimento per i miei studenti, perché c’era ancora un po’ di mistero intorno ad esso”.
 

Diet Coke e Mentos: Cosa c’è davvero dietro questa reazione fisica?

È questo il titolo dell’articolo sull’American Journal of Physics: “Diet Coke and Mentos: What is really behind this physical reaction?”. L’articolo completo (in inglese) si può trovare online, sul sito della rivista (a pagamento), o tramite una biblioteca (gratis), o googlando il titolo e cercando con un po’ di pazienza.

Questo è l’abstract, ovvero la breve sintesi che precede ogni articolo scientifico.

Abstract

La reazione tra Diet Coke e Mentos è un divertente esperimento dimostrativo nelle classi di chimica e fisica, per molti concetti importanti in termodinamica, dinamica dei fluidi, scienza delle superfici, e fisica delle esplosioni. La reazione è stata eseguita molte volte alla televisione e su internet, ma non è stata studiata sistematicamente. Riportiamo uno studio sperimentale sulla reazione Diet Coke e Mentos, e consideriamo molti aspetti della reazione, compresi gli ingredienti della caramella e della bibita, la ruvidezza della caramella, la temperatura della bibita, e la durata della reazione.

Per la consistenza delle diverse misure, gli studenti hanno costruito dei supporti per le bottiglie e dei tubi per inserire le caramelle, in modo che tutte le bottiglie sparino il geyser con lo stesso angolo (10%), e le caramelle siano inserite sempre nello stesso modo. Tutti i getti sono stati videoregistrati, e poi analizzati.

La perdita di massa. È la prima misura riportata. Dopo le reazioni le bottiglie vengono pesate. Quanta bibita è stata sparata fuori? Una tabella raccoglie i risultati: le bibite Diet Coke, Coca Cola classica e Coca Cola senza caffeina e le caramelle Mentos, Mentos alla frutta, Life Savers alla menta, e anche bicarbonato, sale, caramelle Mentos sbriciolate, gomma arabica, sabbia.
Quella che perde più liquido è Diet Coke e Mentos alla frutta: 1,44 litri di bibita (con bottiglie da 2 litri). Molto simili seguono Diet Coke e Lifesavers (1,43) e Mentos alla menta (1,41), poi queste ultime con la Coca Cola senza caffeina (1,40)... si capisce perché i dati è meglio raccoglierli in tabelle.

La gittata. È la seconda misura riportata. La “distanza orizzontale media percorsa dal getto durante la reazione”. È la domanda, quale getto è più potente? E la Diet Coke con le Mentos alla frutta vince ancora (5,4 metri), battendo la Coca Cola con lo zucchero, le altre caramelle, e le loro combinazioni.

La caduta della caramella. Una Mentos sbriciolata e inserita nella bottiglia causa un geyser molto ridotto (0,3 metri). La stessa caramella è più efficiente da intera, quando cade sul fondo della bottiglia, che da sbriciolata, quando rimane in superficie. Per lo stesso motivo, le Mentos sono più efficienti di altre caramelle che affondano più lentamente nella bibita.
Infatti “i campioni che cadono più rapidamente attraverso la bibita causano una reazione più esplosiva. Per la stessa quantità di massa persa, l’eruzione sarà più drammatica quando la reazione ha luogo in un tempo più breve”.

La reazione fisica. Il controllo del pH delle bibite prima e dopo la reazione, insieme alla misura del geyser ottenuto da Coca Cola e bicarbonato (risultato molto piccolo) hanno permesso di escludere che si tratti di reazione chimica “acido-base”. Si tratta di una reazione fisica, dove non c’è trasformazione di materia. La formazione di bolle dalla CO2 disciolta nella Coca Cola è accelerata dalla superficie rugosa delle caramelle (che forniscono numerosi siti di nucleazione per le bolle) e dalla presenza dei dolcificanti e conservanti (che diminuiscono la tensione superficiale e l’energia richiesta per la formazione di bolle).

La ruvidezza delle superfici. La misura precisa della ruvidezza dei diversi campioni, resa possibile dai microscopi moderni, è il valore aggiunto di questo lavoro, e permette di collegare gli effetti macroscopici (pesata di bottiglie, gittata) alle caratteristiche microscopiche dei materiali. La morfologia studiata al SEM, la ruvidezza quantitativa all’AFM.

“Può destare sorpresa che le Mentos alla frutta funzionino meglio delle Mentos alla menta. A occhio nudo, le Mentos alla frutta sono più lucide e brillanti delle Mentos alla menta, e pertanto dovrebbero essere più lisce. Nell’episodio dei Mythbusters una Mentos alla menta e una Mentos alla frutta coloratissima furono fatte cadere nella Coca Cola Light, e mentre le Mentos alla menta hanno causato l’eruzione, le Mentos colorate non hanno fatto nulla. Ma secondo i nostri esperimenti, le immagini al SEM mostrano che il rivestimento colorato delle Mentos alla frutta non è uniforme e presenta molte parti ruvide. Inoltre il rivestimento si dissolve molto rapidamente e non è efficace nell’impedire la formazione di bolle di CO2. Le misure con l’AFM mostrano che la rugosità media dei due tipi di Mentos è comparabile. Tutti i nostri risultati sembrano pertanto contraddire il menzionato esperimento dei Mythbusters”...

Il dolcificante Aspartame. “Le bibite senza zucchero e con il dolcificante aspartame, come la Coca Cola Light, sono più esplosive delle bibite con zucchero o sciroppo di glucosio, e ciò è verosimilmente dovuto a una riduzione del lavoro richiesto alla formazione di bolle quando si aggiunge l’aspartame. Questa conclusione è supportata dalle nostre misure di angolo di contatto che mostrano un angolo ridotto per acqua e aspartame rispetto all’acqua pura o zuccherata”.

Il conservante Benzoato di Potassio. I conservanti presenti nelle bibite riducono ulteriormente la tensione superficiale, e quindi il lavoro necessario per la formazione di bolle.

Gomma arabica. Le Mentos hanno un rivestimento di Gomma arabica, e anche questo ingrediente riduce la tensione superficiale, e facilita la formazione di bolle. La Gomma arabica è infatti un emulsificante, stabilizza la schiuma nei marshmallows e fa da rivestimento alle caramelle dure. È anche usata come colla da leccare sulle buste e i francobolli.

Concludiamo? È una storia interessante dal punto di vista scientifico, ma anche didattico. Una classe è un po’ come una bibita gassata che contiene tanta CO2 disciolta, e l’insegnante può offrire tanti stimoli e siti di nucleazione per idee e bolle... se l’insegnante si riveste di gomma arabica rende più efficace il lavoro agli studenti... se gli studenti si auto-controllano e si conservano come il benzoato di potassio è meglio... eccetera eccetera.
Ma fuor di metafora, una storia così ci mostra che quando il lavoro dell’insegnante è fatto con cura e passione e gli studenti rispondono adeguatamente, il lavoro rimane. Ci ha dato anche occasione di riflettere su alcuni “generi letterari” della letteratura scientifica: l’articolo scientifico, la relazione di laboratorio, l’articolo divulgativo.