Анализ новых условий позволил выявить зависимость реакции от размера микропор в конфетах и облегчил ее понимание на микроуровне.
Добавление мятных конфет Mentos в бутылку колы, что приводит к бурной реакции и фонтану пены, стало классическим развлечением, которое учителя и популяризаторы науки используют во всем мире, чтобы заинтересовать детей физикой и химией. Несмотря на это, некоторые микроскопические процессы, протекающие при данной реакции, до сих пор недостаточно изучены. Авторы статьи, опубликованной в издании Journal of Chemical Education, ученые установили, каким образом давление и размер микропор в конфете влияют на известный трюк. Экспериментальная часть исследования была проведена в таких живописных местах Соединенных Штатов, как Долина Смерти и вершина Пайкс-Пик в Скалистых горах, и некоторые результаты были зафиксированы на видео.
На начальном этапе объяснение реакции достаточно простое: углекислый газ изначально находится в растворенном состоянии в жидкости под давлением. Снижение давления при открытии бутылки приводит к уменьшению концентрации газа в жидкости, и часть его переходит в атмосферу.
Интенсивность взаимодействия раствора с воздухом напрямую влияет на скорость выхода газа: это можно наблюдать, например, при встряхивании бутылки. Конфеты Mentos лишь значительно ускоряют этот процесс. Более ранние исследования выявили, что пористая структура этих конфет создает оптимальные условия для удержания мельчайших пузырьков воздуха. При добавлении одной такой конфеты в напиток, ее поверхность обеспечивает эффективный контакт с воздухом и с растворенным углекислым газом, находящимся внутри бутылки. Высвободившийся газ стремительно выходит наружу.
До недавнего времени точный размер этих микроскопических пузырьков можно было определить только путем анализа микроскопических изображений текстурированной оболочки конфеты. Это значимый фактор с точки зрения влияния на реакцию, поскольку для высвобождения углекислого газа каждый пузырек должен обладать достаточной площадью поверхности, обеспечивающей необходимый газовый поток. В теории их диаметр должен превышать один микрон, однако более крупные пузырьки также увеличивают общий объем, сокращая число участков, где начинается реакция, что потенциально может повлиять на ход процесса.
Поскольку зафиксировать высвобождение газа на микроуровне в стандартных условиях не представляется возможным, исследователи разработали специальный подход. Для этого потребовалось применение основных физических зависимостей, характеризующих реакцию, в частности, таких параметров, как давление и объем.
Томас Кунцлеман, профессор химии из Университета Спринг-Арбор, неожиданно обнаружил, что скорость этой реакции значительно возрастает при проведении на большой высоте. Убедившись в этом, он обратился к своему коллеге из Колорадо, Райану Джонсону, чтобы совместно проверить выдвинутую гипотезу. Кунцлеман и Джонсон провели серию экспериментов (и заодно от души повеселились, как можно видеть в видеоблоге Кунцлемана «Невероятные исследования») в самых разных условиях: от Долины Смерти, где высота поверхности земли лежит ниже уровня моря, до вершины в Скалистых горах на уровне 4300 метров.
Полученные результаты показали, что для объяснения наблюдений недостаточно только давления воздуха, что указывает на необходимость разработки более точных параметров, влияющих на образование пены. Сопоставляя данные об изменениях давления воздуха с измерениями массы, потерянной в процессе дегазации, и анализируя различные виды конфет, Кунцлеман и Джонсон смогли достаточно хорошо разобраться в причинах, по которым Mentos является оптимальным выбором для такого эксперимента.
Предполагается, что диаметр этих центров, из которых выделяется газ, составляет от двух до семи микрометров. Такой размер обеспечивает оптимальное соотношение между размером пузырьков и необходимой концентрацией центров на поверхности конфеты. Полученные результаты соответствуют существующим моделям, описывающим процесс, и подтверждаются микрографиями пор, созданными на их основе.
Собранная информация позволит педагогам и специалистам, занимающимся наудными популяризацией для детей, лучше разобраться в принципах работы процесса, что даст возможность более эффективно доносить эту информацию до аудитории, демонстрируя им мир как более сложный, но при этом доступный для понимания, и побуждая новые поколения к изучению загадок физики и химии.