Znacie ten efekt, kiedy pryskacie wodą na gorącą patelnię i woda tworzy małe kuleczki zamiast wyparować? To tak zwany efekt Leidenfrosta. Po zetknięciu z gorącą patelnią część kropelki natychmiast odparowuje, a powstała para wodna tworzy cieniutką poduszkę. – Ta poduszka jest świetnym izolatorem termicznym, więc ona spowalnia przekaz ciepła pomiędzy patelnią a kropelką – wyjaśnia prof. Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Ten sam efekt sprawia, że na różnych pokazach naukowych ludzie wkładają ręce do ciekłego azotu i przez chwilę nic im się nie dzieje. Nie róbcie tego w domu – ciekły azot i fizyka to duet, który da się wykorzystać o wiele lepiej, a konkretnie do przygotowania przepysznych, gładkich lodów. – Gwałtowny proces mrożenia powoduje, że kryształki lodu są dziesięć razy mniejsze niż w przypadku komercyjnych lodów – wyjaśnia fizyk. W odcinku rozmawiamy o fizyce płynów, a wiele zjawisk, o których rozmawiamy, możecie wygodnie zaobserwować we własnej kuchni.

Bardzo interesującym zjawiskiem jest na przykład piana. – Piany są takimi trochę magicznymi strukturami, bo to ani ciecze, ani ciała stałe – opowiada prof. Lisicki. Dla nas bardzo użyteczna jest piana z mydła, bo obniża napięcie powierzchniowe. Dzięki temu substancja myjąca może wniknąć głębiej i rzeczywiście usunąć tłuszcz, brud i co tam jeszcze potrzebujemy zmyć. Za to nartnikom napięcie powierzchniowe pozwala dosłownie chodzić po wodzie. Są małe, lekkie, dobrze rozkładają ciężar ciała i odpowiednio się poruszają, by nie naruszać sił spójności pomiędzy cząsteczkami wody. I wszystko to zbadali dokładnie fizycy!

Z odcinka dowiecie się też, dlaczego woda kapie z kranu zamiast płynąć cienką strużką, co to znaczy, że pływamy ruchem odwracalnym w czasie, dlaczego koty też są trochę płynem i czy aby producenci ekspresów do kawy z bardzo wysokim ciśnieniem nieco nas nie naciągają. Gorąco polecamy! Dostrzegajmy fizykę wokół nas!

TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: W studiu Radia Naukowego prof. Maciej Lisicki. Dzień dobry.

Maciej Lisicki: Kłaniam się.

K.G.: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, szef Grupy Fizyki Materii Miękkiej, w której badacie co w zasadzie?

M.L.: Materia miękka to jest dość szerokie pojęcie. Mówiąc najkrócej, to jest wszystko to, czego nie można wziąć do samolotu, a więc kremy, pasty, żele, zawiesiny, różne płyny. Takie rzeczy, które są trochę elastyczne, trochę płynne. To jest bardzo szeroki wszechświat.

K.G.: Wiele razy już rozmawiałam z fizykami i nauczyłam się takiej zasadniczej rzeczy, że jesteście trochę jak prawnicy. To znaczy słowa, które większość ludzkości rozumie w jakiś sposób, to wy rozumiecie w jakiś swój własny, specyficzny sposób. I tutaj chcę zapytać o to, co to są płyny dla fizyka? Bo dla mnie płyn to jest to, co tutaj sobie trzymam teraz w kubeczku, kawusia o poranku, woda obok, to to jest płyn. A dla ciebie co to jest? Czym jest płyn?

M.L.: Te płyny są bardzo piękne, kawusia o poranku zawsze bardzo chętnie. Myślę, że najprościej odpowiedzieć szkolną definicją, że płyn to jest substancja, która przyjmuje kształt naczynia, w którym taki płyn umieścimy. Oczywiście były też badania, że koty są trochę płynne. To jest badanie, które dostało nagrodę Ig Nobla z fizyki kilka lat temu, na temat tego, że koty są płynami.

K.G.: Bo co, przyjmują kształt pudełka na przykład?

M.L.: Bo przyjmują kształt pudełka tudzież jakiegoś wazonu, w którym się akurat chcą ułożyć. Natomiast to jest cecha, która wyróżnia płyny, że nie ma tam takiej konfiguracji, którą to ciało bez żadnych oddziaływań by przyjmowało. To znaczy, że jeżeli zostawimy ciało stałe w spokoju, to ono przyjmie pewien kształt ulubiony. Natomiast płyn nie ma takiego ulubionego kształtu. Jak tylko zaczniemy działać na niego jakimiś siłami, to ten płyn się w nieodwracalny sposób zdeformuje.

K.G.: I czym jest na przykład płyn? Czy ta woda, dobra, to wiadomo, że jest płyn, ale powietrze, atmosfera też jest płynem, tak?

M.L.: Tak, bo to rozróżnienie pomiędzy „ciecze” i „gazy” trochę zależy od tego, w jakiej temperaturze, przy jakim ciśnieniu. To rozróżnienie jest płynne, bo między jednym a drugim tak naprawdę te własności fizyczne nie są aż tak różne. To znaczy między cieczą, którą widzimy w warunkach normalnych, a gazem rzeczywiście jest taka różnica, że te siły oddziaływania cząsteczek, które budują taki ośrodek, są nieco silniejsze i te cząsteczki są nieco bliżej siebie, ale to jest w zasadzie ta główna różnica.

K.G.: To czy powiedzielibyśmy w takim razie, wejdźmy na dużą skalę: czy taki gaz galaktyczny to też będzie płyn? Czy w ogóle galaktyki zachowują się jak płyny? Ba, czy mogę zaryzykować takie stwierdzenie, że wszechświat jako taki w pewnym sensie zachowuje się jak płyn?

M.L.: Myślę, że tak. Kluczowe tutaj, no mówimy o rozróżnieniu między cieczą a gazem, ale tak naprawdę kluczowe jest to, że do opisu jednego i drugiego używamy tego samego języka. Dla nas tym językiem jest matematyka i równania mechaniki płynów. Okazuje się, że możemy z powodzeniem opisywać ruch zarówno cieczy, jak i gazów przy pomocy podobnych równań.

K.G.: Ciągnę ten temat dlatego, że wydaje mi się to fascynujące. I to jest chyba w fizyce jedna z tych najbardziej fascynujących rzeczy. Mianowicie, że te same prawa opisują, wyjaśniają coś w małej skali. Nie mówię teraz o skali kwantowej, bo wiadomo, że tam różne cuda się dzieją. Ale w takiej skali domowej, jak robimy sobie wir w garnku, czy w skali ogromnej, jak mamy galaktykę, która też przecież wiruje. Czy dobrą mam intuicję?

M.L.: Jest sporo podobieństw pomiędzy takim galaktycznym wirem a takim wirem wannowym. Tak, zdecydowanie. Okazuje się, że to znowu są podobne prawa. Co prawda efekty skali powodują, że oddziaływania, które zachodzą pomiędzy elementami takich układów, są trochę inne, więc szczegóły mogą się różnić, ale duży obraz jest bardzo podobny.

K.G.: I w świecie biologii też to widać?

M.L.: Biologia charakteryzuje się ogromną różnorodnością, tak? Bo jak opisujemy różne gatunki i to, w jaki sposób te gatunki oddziałują ze swoim otoczeniem, jak funkcjonują, to zwracamy uwagę właśnie na tę, zresztą mówi się o bioróżnorodności jako takiej dużej wartości, i to jest jeden trend. Ale z drugiej strony te mechanizmy, na przykład molekularne, które powodują, że organizmy funkcjonują, te przemiany energetyczne, fotosynteza, to jest coś wspólnego dla bardzo dużej grupy organizmów. W fizyce my częściej szukamy podobieństw niż różnic, bo szukamy takiego opisu, który byłby uniwersalny, ponieważ mamy jeden wszechświat i ten wszechświat podlega jakiemuś zbiorowi praw fizyki, które uważamy, że są poprawne i które zresztą nieustannie testujemy. Próbujemy zastosować ten nasz opis do bardzo szerokiej klasy układów i to się często udaje.

Jeden z takich przykładów, który mogę powiązać ze swoją praktyką zawodową: zajmuję się od dłuższego czasu biologiczną mechaniką płynów. To znaczy tym, jak pływają mikroorganizmy. I to znowu jest bardzo szeroka klasa. Tam są bakterie, algi, nawet plemniki. To są wszystko małe żyjątka, które są aktywne, to znaczy mogą się poruszać i w jakiś sposób ruszają swoimi częściami komórek, żeby się przemieszczać. I mimo tego, że jest ogromna różnorodność form, kształtów i sposobów machania tymi ogonkami, to okazuje się, że fizyka formułuje ograniczenia, które obowiązują wszystkie te organizmy. To znaczy, że fizyka jest tym boiskiem, na którym reguły gry są takie same dla wszystkich.

Więc jeśli takie mikroorganizmy chcą się poruszać, to muszą w jakiś sposób przestrzegać tych praw. Jedno z takich praw, czy taka intuicja, która jest może sprzeczna z naszą codzienną, jest taka, że pływanie w skali mikro wygląda zupełnie inaczej niż nasze pływanie w basenie. Ponieważ woda w mikroskali zachowuje się, jakby była bardzo lepką cieczą, to jak chcemy zrozumieć, w jaki sposób pływają bakterie, to powinniśmy zastanowić się, jak my byśmy się poruszali w basenie pełnym miodu albo jakiejś smoły. I jest wtedy zupełnie inaczej, bo nasze intuicyjne mechanizmy poruszania się są związane z bezwładnością. To znaczy, że jak pływamy żabką, to my odpychamy się od wody i woda płynie do tyłu, my do przodu. Takie rzeczy w mikroskali nie działają. W związku z tym te mikroorganizmy muszą mieć inne strategie. Jedną z takich strategii są właśnie ogonki czy wici, które mają kształt korkociągów, i te organizmy się wkręcają albo wykręcają z płynu. Okazuje się, że taki mechanizm działa całkiem nieźle. To nie są tak efektywne mechanizmy jak nasze w skali makro, ale jednak pozwalają się w skali mikro poruszać całkiem nieźle.

K.G.: Ja sobie oczywiście cały czas teraz wyobrażam, jak by to było płynąć w miodzie, i nie mam na to pomysłu, jak to zrobić naszym ciałem dobrze. Bo nie musimy być do tego dostosowani, nie? A te bakterie już muszą.

M.L.: Tak. W tych badaniach poruszania się w mikroskali jest takie twierdzenie o małżu. I twierdzenie o małżu, które sformułował wybitny fizyk Purcell w latach 70., mówi tyle, że małż porusza się w taki sposób, że ma dwie połówki swojej skorupki. Pewnie tutaj biologów obrażam, używając takiego języka, ale dla uproszczenia: ma dwie połówki skorupki, ma tę swoją muszlę i otwiera i zamyka tę paszczę. Otwiera ją powoli, zamyka ją dość gwałtownie i w ten sposób się porusza. Natomiast to twierdzenie o małżu mówi, że to jest fakt matematyczny, że w przepływach w skali mikro taka strategia w ogóle nie działa, bo jeżeli mamy ruch, który jest odwracalny w czasie, to znaczy że jak puszczę ten film do tyłu, to ten ruch wygląda tak samo, to to nie może prowadzić do poruszania się, to nie może prowadzić do pływania. W związku z tym one muszą stosować tak zwane nieodwracalne w czasie strategie, więc muszą wykonywać taki ruch, którego jak puścimy film do tyłu, to wygląda inaczej.

I to robią na przykład rzęski, bo popularną strategią poruszania się w skali mikro jest posiadanie rzęsek, które w taki charakterystyczny sposób pompują płyn. To się nazywa biciem rzęsek.

K.G.: Nie wolno bić rzęsek!

M.L.: One biją płyn. One uderzają w ten płyn w taki sposób, że wykonują dwustopniowy ruch. Jeden ruch polega na tym, że jak wiosło przepychają płyn, a drugi ruch polega na tym, że po tym ruchu się zwijają i wracają do położenia początkowego w takiej zwiniętej konfiguracji. Potem się prostują i znowu działają jak wiosło. Czyli moglibyśmy to porównać do takiego ruchu, że z jednej strony, jak wiosłujemy łódką, to w połowie ruchu nasze wiosło jest zanurzone, a w drugiej połowie jest wynurzone. Chodzi nam o to, żeby jednak pompować płyn w jedną stronę.

K.G.: Czyli my też bijemy wodę.

M.L.: My też bijemy wodę.

K.G.: Wiosłem.

M.L.: Ale dość tej brutalności.

K.G.: Nie, ale wiesz co, chciałabym tutaj się jeszcze dowiedzieć, bo mnie to strasznie ciekawi zawsze w tych kontekstach. Gdzie jest ta granica między tym, gdzie woda jest w tej makroskali, w tym sensie, że możemy sobie pływać tą żabką lepiej czy gorzej, a kiedy ona zaczyna się zachowywać pod względem fizycznym właśnie w sposób taki, że jest, jak mówiłeś, bardziej lepka dla tych małych organizmów. To gdzie to się dzieje? To się dzieje tak za pstryknięciem palcami? Czy to jest płynna granica? W jakiej skali tego szukać?

M.L.: Znowuż jest płynna, ale możemy się zorientować, żeby się zastanowić, w jaki sposób ten ruch płynu zachodzi. To tak jak jest jeden pierścień, by wszystkimi rządzić, tak w mechanice płynów posługujemy się liczbami bezwymiarowymi, które nam pozwalają określić, jaki jest charakter przepływu. I tutaj ta jedna liczba, by wszystkimi rządzić, to jest tzw. liczba Reynoldsa.

K.G.: 44, nie? Nie mogłam się powstrzymać, przepraszam.

M.L.: 44 albo 42, to już zależy, kto jakie ma inklinacje. Natomiast liczba Reynoldsa określa charakter przepływu, to znaczy, że to jest taka liczba, którą możemy wyliczyć, znając parametry płynu, takie jak gęstość i lepkość, jak również to, jak duży jest obiekt, którego ruch analizujemy, czy to jest kaczka, która ma kilkanaście centymetrów, czy to jest maleńka rybka, która ma milimetr, czy to jest bakteria, która ma jedną tysięczną milimetra, oraz prędkość poruszania się. Bo inaczej płynie woda wokół tej kaczki, gdyby ta kaczka była naddźwiękowa, a inaczej płynie woda wokół niej, jeżeli ona się porusza z taką typową prędkością jak w rzece.

I teraz jak wyliczymy tę kombinację parametrów, to ta liczba Reynoldsa okazuje się, że mierzy relatywny wpływ sił bezwładności do sił lepkościowych. Te siły bezwładności i siły lepkości, to ich współzawodnictwo kształtuje przepływ. Okazuje się, że jeżeli ta liczba Reynoldsa jest mała, to znaczy, że przepływ jest zdominowany przez siły lepkie. I wtedy należy się spodziewać, że będziemy w tym miodzie. Jak jest duża, to z kolei bezwładność dominuje i te efekty lepkie są, one tam są, ale nie są kluczowe.

Żeby podać jakiś przykład: liczba Reynoldsa jest mała wtedy, kiedy prędkości i rozmiary są małe. Albo jest mała wtedy, kiedy lepkości są bardzo duże. Czyli takie sytuacje fizyczne, które opisują przepływy z niską liczbą Reynoldsa, czyli przepływy bardzo lepkie, miodowe, to jest z jednej strony sytuacja małych rozmiarów i prędkości, czyli np. pływanie mikroorganizmów. Ale z drugiej strony możemy pomyśleć o sytuacji, gdzie te rozmiary mogą być spore, ale prędkości są bardzo małe i lepkości są bardzo duże. Na przykład spływanie lodowców. I okazuje się, że podobne modele matematyczne można zastosować do opisu ruchu lodowców, które w skali lat, ale jednak spływają z tych górskich dolin. A jak chcemy zyskać jakieś intuicje, to znowu podobną liczbę Reynoldsa można uzyskać, jak myślimy o przepływach w skali kuchennej, ale cieczy, które są bardzo lepkie, na przykład miodu. I stąd ten miód jest takim niezłym modelem, bo on pozwala nam w takich skalach ludzkich, zupełnie namacalnych, trochę więcej zrozumieć na temat tego, jak poruszają się płyny albo w bardzo małych skalach, albo w bardzo dużych, ale przy powolnych procesach.

K.G.: Muszę przyznać, że dużo się dzieje w mojej wyobraźni, kiedy z tobą rozmawiam, bo raz, że wyobrażam sobie, że pływam w miodzie, co jest dość problematyczne, a teraz sobie cały czas myślę o tej kaczce, która z prędkością dźwięku by pływała. To by było dość hardkorowe.

M.L.: Myślę, że jak się zbliżamy do prędkości dźwięku, to pojawiają się fale uderzeniowe i całe zoo różnych innych zjawisk. Myślę, że ta kaczka miałaby powody do narzekania.

K.G.: Bolałoby? Bolałoby.

M.L.: Tak, ale znowu wracamy do jakiegoś takiego bicia wody.

K.G.: Brutalności, dobra. To zostawmy brutalność. Czy wchodzimy do kuchni z naszymi tematami fizyki płynów?

M.L.: Nasze tematy już tam są. Jest ich mnóstwo.

K.G.: Co stanowi o idealnej konsystencji lodów, że tak zapytam w letnim klimacie? Bo macie w zespole grupę badawczą na ten temat. Ice Cream Research Team.

M.L.: To są badania, które wyrosły z żywotnej potrzeby naszego wydziału, ponieważ co roku w maju, w okresie juwenaliów, organizujemy piknik wydziałowy. Nazywamy to Dniem Fizyka. Jedną z atrakcji na Dzień Fizyka zawsze były lody azotowe. To znaczy były to lody, które są przyrządzane przy pomocy ciekłego azotu. W pewnym momencie zacząłem pracować z grupą entuzjastów tychże lodów. I postawiliśmy sobie za cel, żeby z jednej strony udoskonalić recepturę tych lodów, a z drugiej strony, jak już to się udało, to zastanowić się, dlaczego te lody są takie dobre.

Odpowiedź jest dwojaka. To znaczy z jednej strony nawiązaliśmy współpracę z ekspertami z rynku lodowego, z warszawską lodziarnią, która produkuje te lody azotowe. Więc właściwie można by powiedzieć, że to nasi koledzy po fachu, bo my też na wydziale robiliśmy to od lat. Ale to doprowadziło do udoskonalenia naszej receptury. Tutaj sekret jest taki, że jak się produkuje lody w domu, to chodzi o to, żeby suchej masy było odpowiednio dużo. Jak jest za dużo wody w tych lodach, to one wychodzą takie chrupkie. To jest coś, czego byśmy nie chcieli.

Ale z drugiej strony mamy tutaj fizykę tego procesu mrożenia. I to jest bardzo ciekawy temat. Bo normalne lody robi się tak, że mamy urządzenie, które przypomina taką ogromną pralkę. Ścianki tej pralki są bardzo zimne i mamy w środku mieszadło, które zeskrobuje z tych ścianek tę substancję, która stopniowo zamarza. Więc ten proces trwa dość długo, ale w efekcie mamy taką jednorodną masę, która jest w temperaturze około minus 30 stopni. Jak ona trafia do sklepów, to już jest minus 20 i tam jest przechowywana. I tak jest też przechowywana w naszych lodówkach.

Te lody są niezłe, ale być może słuchacze zauważyli taki efekt, że jak się zbyt długo te lody je, to znaczy, że się je wyciąga i wkłada do tej zamrażarki wielokrotnie, to po jakimś czasie one już nie są takie dobre. I to, co się zmienia, to zmienia się tekstura, to znaczy one się robią właśnie chrupkie. A z kolei te lody azotowe, którymi my częstujemy gości na naszym pikniku, zawsze były bardzo gładkie. A proces przyrządzania ich polega na tym, że bierzemy mikser planetarny, taki zwykły, kuchenny, wlewamy naszą masę lodową, a potem dolewamy ciekłego azotu. Ciekły azot ma minus 194 stopnie Celsjusza. Więc następuje gwałtowny proces mieszania, wydobywa się dużo pary wodnej, więc to jest dość widowiskowe. Natomiast te lody są gotowe w ciągu pół minuty. I właśnie są niesłychanie gładkie. Zastanawialiśmy się, co tutaj się dzieje takiego, że one mają taką teksturę. Hipoteza była taka, że być może wskutek tego gwałtownego procesu mrożenia te kryształki lodu, które wytwarzamy, są dużo mniejsze niż w przypadku tradycyjnych lodów. I żeby to potwierdzić, musieliśmy jakoś zajrzeć do środka, więc udało nam się zrobić zdjęcia skaningowym mikroskopem elektronowym mikrostruktury lodów. Przy czym porównaliśmy tutaj komercyjnie dostępne lody ze sklepu i nasze lody azotowe i rzeczywiście wyszło na to, że ten gwałtowny proces mrożenia powoduje, że kryształki lodu są tak 10 razy mniejsze niż w przypadku komercyjnych lodów.

K.G.: Stąd ta gładkość.

M.L.: Stąd ta niesłychana gładkość i stąd te przyjemne doznania. Inna sprawa jest, jaka jest stabilność takich lodów. One nie żyją bardzo długo. Natomiast dowiedzieliśmy się, że rzeczywiście ten proces mrożenia ma znaczenie. Jeszcze ciekawy fakt jest taki, dlaczego takie lody, nawet komercyjne, przechowywane zbyt długo w zamrażarce, robią się niedobre. Odpowiedź jest taka, że te kryształki lodu to nie jest stacjonarna struktura. Ta mieszanka to są kropelki tłuszczu, kryształki lodu, cukry. Ta masa nie jest jednorodna w skali mikro. I te kryształki lodu są w procesie ciągłego wzrostu. Ten wzrost jest powolny, ale jednak one rosną i się ze sobą łączą. I właśnie na skali tygodni potrafią się łączyć już w tak duże kryształki, że zaczynamy czuć różnicę na języku.

K.G.: Czyli są takie lody też sprzedawane, które są robione ciekłym azotem? To się robi na rynku, tak?

M.L.: To się robi na rynku. Nie jest wiele. Ja kojarzę jedną lodziarnię w Warszawie, z którą zresztą współpracowaliśmy, Nice Cream na Chmielnej. Nie wiem, czy tutaj reklamy są dozwolone. Bardzo dobrze nam się współpracowało. Tu razem doskonaliliśmy recepturę lodów, korzystaliśmy z ich doświadczenia. I wydaje mi się, że nawet dzisiaj w ich lodziarni wisi nasze zdjęcie zrobione skaningowym mikroskopem elektronowym, właśnie mikrostruktury lodów azotowych.

K.G.: Ale to jak wy na tym Dniu Fizyka tak polewacie tym ciekłym azotem, to jakby się wylało trochę, to co się stanie? Nikomu się tam nic nie wydarzy złego? Jakby mi się tak na rękę chlupnęło, to co?

M.L.: To ja odpowiem niebezpośrednio. I znowu wrócimy trochę do kuchni. Bo taki stary sposób, żeby sprawdzić, czy patelnia jest dostatecznie gorąca, taki sposób mojej babci, to był taki, żeby spryskać ją odrobiną wody. I jeżeli te kropelki wody w kontakcie z gorącą powierzchnią zaczynają syczeć i wrzeć, to znaczy, że jest gorąca, możemy gotować. Ale teraz, co się stanie, jeżeli poczekamy zbyt długo albo zapomnimy o tej patelni na ogniu? Wtedy, jeżeli ją spryskamy, to może być taka sytuacja, i do tego zachęcam do eksperymentów, że te kropelki, które umieścimy na powierzchni, one zaczynają sobie tam siedzieć. I wyglądają, jakby im kompletnie nie przeszkadzało to, że poniżej jest gorąca powierzchnia. One potrafią też się poruszać, potrafią tańczyć na tej patelni, ale ich czas życia jest dziwnie długi. A z drugiej strony mamy szkolne intuicje, że przekaz ciepła jest tym większy czy tym szybszy, im większa jest różnica temperatur. Więc coś tu się nie dodaje. Okazuje się, że jeżeli ta różnica temperatur jest odpowiednio duża, to występuje tak zwany efekt Leidenfrosta, który polega na tym, że taka kropelka po zetknięciu z gorącą patelnią natychmiast odparowuje część tej kropelki i tworzy taką poduszkę powietrzną. To jest bardzo cienka warstewka pary wodnej, gruba na jakieś 100 mikrometrów, czyli jedną dziesiątą milimetra. I ta poduszka pary wodnej jest świetnym izolatorem termicznym, więc ona spowalnia przekaz ciepła pomiędzy patelnią a kropelką.

I teraz: dokładnie to samo dzieje się, jak włożymy na chwilę rękę do ciekłego azotu albo polejemy rękę ciekłym azotem. Ponieważ różnica temperatur pomiędzy skórą a ciekłym azotem to jest ponad 200 stopni Celsjusza, to w kontakcie ze skórą natychmiast część azotu odparowuje i tworzy taką poduszeczkę, która izoluje termicznie płynny, ciekły azot od skóry. I ten efekt jest chwilowy, oczywiście jak będziemy lać ten azot długo, to pożałujemy. Natomiast wystarcza do tego, żeby uchronić nas w takim krótkim spotkaniu. Są też tacy demonstratorzy, fizycy, którzy wkładają rękę do stopionego ołowiu, żeby pokazać ten efekt. Znowu: jak to się zrobi na chwilę, to działa, ja bym tego nie zrobił.

K.G.: To brzmi hardkorowo.

M.L.: Zgadzam się, ale znowu: stopiony ołów to jest trochę ponad 200 stopni Celsjusza. Różnica temperatur jest duża. Jeżeli to zrobimy sprytnie, to to się wszystko uda, ale nie polecam.

K.G.: Nie róbcie tego w domu, jak to się mówi w takich sytuacjach.

M.L.: Nie, w ogóle tego nie róbcie.

K.G.: Ale róbcie w domu te testy ze spryskiwaniem patelni wodą, bo mnie babcia tego nie nauczyła, jakoś tego nie znała, ale jak się dowiedziałam, że tak się robi, to wreszcie zaczęły mi wychodzić naleśniki.

M.L.: O, wspaniale.

K.G.: Bo tyle lat mi nie wychodziły naleśniki, a dziecko rośnie, trzeba umieć robić dobre naleśniki. No i faktycznie, jak się trochę spryska, ja to jeszcze czekam do tego momentu, gdzie faktycznie zaczynają te kropelki trochę tańczyć na patelni, to wtedy jest idealnie.

M.L.: Naleśniki to jest w ogóle fascynująca sprawa, bo z jednej strony to jest bardzo lepka ciecz, ale to jest lepka ciecz, która rozpływa się na patelni. Można się zastanowić, czy to się rozpływa tak jak kropla miodu, jest całkiem podobnie. Ale potem różnica jest taka, że następuje przemiana fazowa, dlatego że następuje zestalenie takiego naleśnika, czyli zmieniają się własności tego płynu. Można o tym myśleć w kontekście takim, że lepkość tego naleśnika, czy lepkość tego ciasta naleśnikowego, czy tego płynu naleśnikowego, tej masy, nagle zaczyna rosnąć. Nie dość, że zależy od temperatury, to jeszcze w pewnej temperaturze taki płyn ulega zestaleniu. Więc ja bym bardzo chciał, żeby w moim laboratorium powstała praca licencjacka na temat tego, jak rozpływa się ciasto naleśnikowe. Namawiam studentów. Mam nadzieję, że niedługo się tym zajmiemy.

K.G.: Ale uwielbiam taki język właśnie, że to przejście fazowe mieszaniny węglowodanowo-lipidowej, strzelam, coś takiego, proteinowej?

M.L.: Jest skomplikowana chemia jeszcze do tego.

K.G.: Żeby zrobić dobre naleśniki, to naprawdę trzeba też doświadczenia. Michał, jeden z patronów, pyta, trochę w kontekście tej różnicy temperatur i tak dalej, czy wiemy, dlaczego kostki lodu powstają najszybciej z wody o temperaturze 30 kilku stopni? Czy na razie to tylko domysły? Ja nie słyszałam, żeby tak było, że akurat 30 kilka stopni to najlepiej, ale może coś wiesz.

M.L.: Za tą tajemnicą stoi tak zwany efekt Mpemby i nazwa jest od nazwiska pewnego ucznia szkoły w Tanzanii, który zauważył taki oto efekt, że zadanie od nauczyciela było takie, żeby zrobić kostki lodu i przynieść do szkoły na lekcję. I to, co się działo zwykle, to brano dosyć zimną wodę, wkładano do zamrażarki, ale tenże Mpemba zapomniał o tym oczywiście, zrobił to na ostatnią chwilę i miał tylko ciepłą wodę w domu. Więc wlał tę ciepłą wodę do foremki na lód, włożył do zamrażarki i okazało się, że kostki lodu zrobiły się całkiem szybko. A przynajmniej trochę szybciej niż te z wody chłodnej.

Nie jestem pewien, czy istnieje w tej chwili już przekonujące wyjaśnienie tego zjawiska. Sęk jest tutaj w tym, że z jednej strony tempo przekazu ciepła zależy od różnicy temperatur, więc im większa jest różnica temperatur pomiędzy zamrażarką a wodą, którą do niej wstawimy, tym ten transfer ciepła jest efektywniejszy. Ale z drugiej strony te skale czasowe też mogą być różne w zależności od tego, od jakiej temperatury zaczniemy. I jeszcze istotne jest to pewnie, co się dzieje w tej zamrażarce w momencie, kiedy wstawimy te kostki lodu. Więc odpowiedź krótka jest taka, że to jest dość skomplikowane. Natomiast literatury na temat efektu Mpemby jest sporo. Więc to jest aktywny przedmiot badań.

K.G.: Porozmawiajmy o tej kawusi, która nam się już przewinęła w rozmowie. Jak zrobić idealne espresso? Pytam i wiem, kogo pytam, bo macie przecież też właśnie w zespole Coffee Research Team tym razem i tych badań już sporo mieliście. To jak się za to zabrać w ogóle? Jak zrobić idealne espresso?

M.L.: Na temat tego, czym jest idealne espresso, odmawiam udzielenia odpowiedzi, bo jest to kwestia kulturowa. I pewnie idealne espresso w Rzymie to nawet dla tej samej osoby może być co innego niż idealne espresso gdzieś w jakiejś skandynawskiej palarni kawy.

K.G.: Nie da się zrobić złotego standardu?

M.L.: Są przepisy, które mówią, jak zrobić espresso dobrze. I są organizacje branżowe, takie jak Specialty Coffee Association i inne, które mówią, jak powinno się parzyć idealne espresso. Przykładowo podwójne espresso: powinniśmy wziąć kawy między 17 a 20 gramów, powinniśmy ją parzyć między 25 a 35 sekund i tego napoju w filiżance powinno być mniej więcej dwa razy więcej niż kawy, czyli między 34 a 40 gramów. Czyli to jest ten idealny przepis. I teraz: jeżeli parzymy taką kawę trochę dłużej, to zwykle jest tak, że ekstrahujemy substancje, które mają bardziej gorzki posmak, więc ono się robi potocznie mówiąc mocniejsze, ale to oczywiście nie ma nic wspólnego z kofeiną. Natomiast jeżeli parzymy je krócej, to wtedy wychodzą nuty bardziej kwaśne, a może nawet warzywne. Więc te kwaśne, warzywne to jest taka podekstrakcja, te gorzkie to jest nadekstrakcja, więc jest gdzieś złoty środek.

Natomiast jeśli chodzi o parzenie espresso, to bardzo wiele osób ma religijny stosunek do tego. I w związku z tym są kaznodzieje na YouTubie, są ludzie, którzy mówią, co trzeba robić, czego nie wolno robić, są ludzie, którzy mineralizują swoją własną wodę, biorą destylowaną i dodają mikroelementy, tak żeby im się tam wszystko zbilansowało. I to są wszystko piękne inicjatywy. Natomiast często takie stwierdzenia na temat tego, co się powinno, a czego się nie powinno robić, są podawane bez żadnego dowodu. Dla nas jako naukowców to jest nieakceptowalna sytuacja. Absolutnie. Więc my mówimy: sprawdzam.

To, co nam się udało sprawdzić, to jak ta ekstrakcja zależy od ciśnienia w naszym ekspresie. Ponieważ też często są reklamy ekspresów do kawy takie, że ten ekspres to produkuje 15 atmosfer ciśnienia, będzie dużo lepszy niż taki, który produkuje 10. I okazuje się, że niezupełnie. Takie typowe ciśnienie parzenia kawy to jest 6 do 8 atmosfer, co jest całkiem spore. I to tłumaczy, dlaczego te maszyny tak solidnie wyglądają. I myśmy zbadali w naszym laboratorium przy pomocy takiego kawiarnianego ekspresu, który jednak trochę podrasowaliśmy, bo zamontowaliśmy mu kilka dodatkowych czujników, jak wygląda ten proces parzenia na różnych ciśnieniach.

To, co jest ciekawe i to, co nas zaskoczyło, to z jednej strony to, że kawa oczywiście jest takim skomplikowanym ośrodkiem, bo jak parzymy kawę, to pompujemy gorącą wodę pod ciśnieniem przez to tak zwane ciastko kawowe, czyli przez taką warstwę zmielonej kawy. Początkowo, jak ta woda penetruje to ciastko kawowe, musi wyprzeć powietrze, zaczyna rozpuszczanie. Więc ten proces jest dosyć złożony, bo jest wielofazowy, bo występuje tam i powietrze, i woda. Następuje taka chemiczna erozja, bo właśnie rozpuszczamy ten materiał. Jak również następuje mechaniczna erozja, bo tworzą się jakieś kanały. I w efekcie tego całego zoo procesów kawa zaczyna spływać do filiżanki.

Natomiast ciekawe jest też to, co się dzieje później. Jak celowo zostawimy ekspres włączony dłużej, to obserwujemy, że ten przepływ, czyli to, ile wody płynie w jednostce czasu przez takie ciastko kawowe, stabilizuje się na jakiejś wartości. I ta wartość tego docelowego przepływu, wtedy kiedy już rozpuściliśmy wszystko, co się dało, czyli po 40–50 sekundach, okazuje się, że zależy od ciśnienia. I tu zaskoczenia nie ma, bo jeżeli byśmy myśleli o kawie jako o zwykłym ośrodku porowatym, takim jak na przykład piasek, to mamy prawo Darcy’ego, które mówi o tym, jak ten przepływ powinien zależeć od ciśnienia. I ono mówi, że ten przepływ powinien być proporcjonalny do gradientu ciśnienia, czyli do różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem generowanym przez ekspres a ciśnieniem atmosferycznym.

I rzeczywiście widzimy coś takiego, ale tylko dla bardzo niskich ciśnień. Zmodyfikowaliśmy nasz ekspres tak, żeby parzyć kawę również pod ciśnieniem niewiele większym niż atmosferyczne. Ten proces nie prowadzi do dobrej kawki. Niemniej jednak okazuje się, że dla niskich ciśnień widzimy taki liniowy wzrost, proporcjonalność pomiędzy przepływem a ciśnieniem. Natomiast dla wyższych ciśnień ten przepływ przestaje zależeć od ciśnienia. I to się da zrozumieć na gruncie poroelastyczności kawy. To znaczy, że kawa jest nie tylko ośrodkiem porowatym, to znaczy ma takie przestrzenie porowe pomiędzy zmielonymi ziarnami, ale ta cała struktura jest do tego jeszcze elastyczna. To znaczy, że jeżeli przykładamy zewnętrzne ciśnienie, to możemy ścisnąć taką kawę. Więc to, co się dzieje w procesie parzenia, to z jednej strony powiększamy te przestrzenie porowe, bo rozpuszczamy ośrodek, a z drugiej strony to ciśnienie go kompresuje. Więc to są dwa efekty, które ze sobą współzawodniczą. Efekt końcowy w postaci kawki jest pyszny, ale tam jest trochę więcej niż tylko sensoryka i chemia. Jak chcemy zrozumieć mechanikę samego procesu, to okazuje się, że ta poroelastyczność ma znaczenie. I to jest główny wynik naszych prac.

K.G.: Ale czy to jest tak, że im większe byłoby ciśnienie w tym ekspresie ciśnieniowym, to to espresso byłoby pyszniejsze? Czy jest jakaś granica taka, że to już potem nie ma sensu?

M.L.: Okazuje się, że ponieważ ten końcowy przepływ przestaje zależeć od ciśnienia, to wygląda na to, że od pewnego momentu wartość ciśnienia przestaje mieć takie znaczenie. To znaczy, czy to będzie 9 czy 12 barów, to nie jest pierwszorzędne. Oczywiście to, co jest istotne przy takiej sensorycznej warstwie, to jest kawa, z której parzymy, to jest to, jak mielimy tę kawę. I to zawsze, za każdym razem, codziennie w kawiarniach bariści rano kalibrują to swoje espresso, żeby było dobre. Okazuje się, że ten proces potrafi być wrażliwy nawet na wilgotność powietrza, więc w zależności od pogody troszeczkę trzeba dostosować ustawienie młynka.

Natomiast samo ustawienie młynka to też jest ciekawa sprawa, bo te młynki mają taką skalę od 0 do jakiejś wartości, powiedzmy 5. Co to znaczy, że taki młynek jest ustawiony na 2? Żeby się o tym przekonać, to chcieliśmy się dowiedzieć w tej zmielonej kawie, jakie są wielkości ziaren. I tego można się dowiedzieć, np. robiąc dyfrakcję światła laserowego na takim kawowym pyle. Te pomiary przeprowadziliśmy na uniwersytecie i okazuje się, że ten rozkład wielkości ziaren w zależności od ustawienia młynka troszeczkę się zmienia, ale zawsze wygląda podobnie. To znaczy, że ten rozkład ma dwa maksima. Jedno maksimum jest przy cząstkach, które są rozmiaru rzędu pół milimetra, czyli jest dużo takich dużych kawałków. One się po angielsku nazywają boulders, czyli takie głazy. A z drugiej strony drugie maksimum tego rozkładu jest na wysokości około 50 do 100 mikrometrów. I to jest taki drobny pył, to po angielsku nazywa się fines. I w każdej zmielonej kawie jest populacja zarówno tych dużych głazów, jak i tego drobnego pyłu. Jak zmieniamy ustawienia młynka, to tylko troszeczkę przesuwamy te maksima, ale zawsze jest to taka mieszanina. No i teraz jedne i drugie są oprócz tego jeszcze rozpuszczalne, więc ich spektrum rozmiarów się zmienia w trakcie parzenia. Natomiast są teorie na temat tego, jak te drobne ziarenka wędrują w trakcie parzenia. To są debaty w środowisku, więc myślę, że nie zabraknie nam pytań badawczych w tym zakresie.

K.G.: Katarzyna też, jedna z patronek, napisała: totalnie czekam na wątki kawowe. Będziecie omawiać tylko ekspresy, czy może też inne formy? Serio, aero, french, moka. Moka to jest ta włoska kawiarka taka specyficzna. Serio to nie znam. Aero kojarzę, french też kojarzę. No ale właśnie, czy to jest tak, że wychodzi wam z badań czy z twojej wiedzy, że ten sposób parzenia kawy realnie wpływa na jej smak i to można wyjaśnić na gruncie fizyki?

M.L.: Jeśli chodzi o smak, to pewnie to jest na gruncie bardziej chemii, natomiast jak najbardziej jest różna fizyka przy różnych metodach parzenia kawy. Jeśli chodzi o kawiarkę, to też jest fascynująca sprawa, dlatego że to, co się dzieje w kawiarce: mamy tam dwie komory, górną i dolną, i pomiędzy nimi jest taki kanalik, a to ciastko kawowe jest w połowie tego kanalika. Podgrzewamy taką kawiarkę od dołu, woda jest na początku w dolnej części, ta woda paruje i w związku z tym, że jest podgrzewana, paruje coraz intensywniej, więc ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią wody, to jest zamknięte pudełko, ciśnienie pary wodnej rośnie i w pewnym momencie to ciśnienie pary wodnej blisko wrzenia jest tak wysokie, że przepycha tę gorącą wodę przez ciastko kawowe do górnej komory. I jest fascynująca termodynamika tego procesu. Natomiast bardzo ciężko go było zawsze zwizualizować, bo te aluminiowe kawiarki, ciężko jest tam coś podejrzeć. Natomiast jest na YouTubie filmik naukowców z Instytutu Paula Scherrera w Szwajcarii, którzy postanowili prześwietlić taką kawiarkę wiązką neutronów. Zastąpili jeszcze do tego wodę ciężką wodą, żeby mieć lepszy kontrast. I na tym filmie świetnie widać właśnie ten proces wrzenia, proces wypychania przez parę wodną wody i przepychania przez to ciastko kawowe. Na końcu w tej górnej komorze znajduje się pyszna kawusia. Co prawda efekt uboczny jest taki, że ta kawiarka na jakieś pół roku robi się radioaktywna i trzeba ją odłożyć na bok, ale wartość poznawcza…

K.G.: Znów: nie róbcie tego w domu.

M.L.: Pewnie jest ciężko. Strumień neutronów to nie jest prosta sprawa mieć w domu. Nie polecam w każdym razie, ale przepiękny film, bardzo polecam zobaczyć. No ale to jest kawiarka, czyli taka metoda ciśnieniowa, powiedzmy w połowie drogi pomiędzy espresso, bo to jest bardzo wysokie ciśnienie, a takimi metodami, gdzie te ciśnienia są umiarkowane. Jedną z takich metod jest aeropress, czyli taka wielka strzykawa. Aeropress polega na tym, że mamy komorę zamkniętą tłoczkiem, z drugiej strony tej komory mamy przepuszczalną membranę, zalewamy kawę wodą właśnie w takiej strzykawie, zakręcamy tą półprzepuszczalną membraną, a potem tak jak w strzykawce przepychamy wodę przez membranę, dostajemy kawusię, a zostaje takie ciastko. I ten proces trwa troszeczkę dłużej niż parzenie espresso, bo to też jest tak, że typowo im mniejsze ciśnienia, tym dłuższy jest proces. Dostajemy kawę o trochę innych walorach smakowych i sensorycznych, natomiast to jest napędzane własnym ciśnieniem, takim ciśnieniem rąk, tak jak przepychamy tę wodę. A z kolei na drugim końcu spektrum, czyli takich bardzo niskociśnieniowych metod, jest właśnie drip albo French press, gdzie przy dripie siłą napędową jest ciśnienie hydrostatyczne. To znaczy zalewamy kawę w takim stożkowym filtrze wodą i ta woda po prostu pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego będzie przesiąkać przez tę kawę i przesączać się do kubeczka. Wtedy te kawy są pewnie stosunkowo najdelikatniejsze, ten proces jest najdłuższy. Też zupełnie inaczej mielimy kawę do tych różnych metod. Ponieważ espresso właśnie jest taką szybką metodą, to chcemy, żeby te ziarna kawowe były jak najdrobniej zmielone. Z kolei właśnie w dripie te ziarna mielimy grubo. I to jest też związane z… znaczy tam jest na pewno bardziej skomplikowana chemia, ale ciekawe jest moim zdaniem na przykład to, że typowa wielkość ziaren jest przypadkowo akurat taka, że w espresso one są tej wielkości, że przez czas parzenia kofeina zawarta w tych ziarnach zdąży wydyfundować na zewnątrz ziaren. Czyli jak prowadzimy tę ekstrakcję, to te czasy ekstrakcji są akurat takie, że udaje nam się wydobyć tę kofeinę, która jest zmagazynowana w tych ziarnach, i ona znajduje się w naszym kubku.

K.G.: Jest jeszcze taki sposób parzenia kawy plujki. Taki sposób, który pamiętam, jak mój tata sobie robił kiedyś. Teraz już jest ekspres, więc trochę bardziej cywilizowanie to wygląda. Ale rano sobie sypał…

M.L.: Dwie łyżeczki moja babcia sypała.

K.G.: Zalewał, ale… Tato, pozdrawiam cię serdecznie. Ale potem wypijał połowę, dosypywał znowu łyżeczkę do tego samego. Znowu zalewał. I to się robiła taka… nie wiem, jak to nawet określić.

M.L.: To wiem, może jakaś piąta fala…

K.G.: Pamiętam, tata na to mówił sam: kałamarz, bo to się robiło takie czorne.

M.L.: Może jakaś piąta fala miłośników kawy wróci do tego i odkryje to na nowo jako tę uświęconą metodę. Natomiast to jest przykład, bo w zasadzie aeropress się nie różni tak bardzo od takiej plujki. Poza tym, że w jakimś wczesnym etapie tego procesu kończymy go brutalnie, przepychając przez tę membranę, czyli kończymy ekstrakcję wcześniej. I wtedy dostajemy kawę, która ma może takie nuty bardziej kwiatowe, bardziej owocowe, to trochę zależy od tego, skąd ta kawa pochodzi. Natomiast jak zostawimy taką kawę, żeby dłużej, mówiąc potocznie, naciągała, to robimy taką nadekstrakcję, to znaczy wydobywamy te nuty gorzkie. I jak ktoś lubi taką siekierę, to właśnie dostanie to, co chce, bo te nuty, które przy pomocy aeropressu próbujemy unieszkodliwić, to one w takiej plujce na pewno będą.

K.G.: No tak, my chcemy fusa, o to chodzi. Ale podsumowując te wątki kawowe, bo są chyba dwa gatunki ludzi, a nawet trzy: są tacy, którzy kawy nie piją w ogóle, są tacy, którzy piją kawę i zalewają ją dużą ilością wody, nie daj Boże cukru jeszcze albo bitej śmietany. To w ogóle nie jest kawa, to jest jakiś napój kawopodobny chyba.

M.L.: Ale wszystkie kawki są piękne.

K.G.: Ja wiem, że poprawność polityczna, ale tutaj to dobrze. No i są tacy, którzy twierdzą właśnie, że są w stanie wyczuć skalę zmielenia ziaren właśnie, te metody i tak dalej, i tak dalej. Czyli to nie jest tak, że te osoby, że tak powiem, ściemniają. Tylko fizyka i chemia jest w stanie wyjaśnić to, że oni faktycznie czują różnicę smakową.

M.L.: Myślę, że trochę tak, ale trochę też jest tak, że są jakieś badania psychologiczne na temat tego, że ludzie, którzy zapłacili naprawdę duże pieniądze za sprzęt hi-fi, naprawdę słyszą więcej. Ale słyszą więcej, bo chcą słyszeć więcej. To znaczy, że jeżeli ktoś z taką nabożną czcią ten proces przygotowania kawy prowadzi, to być może jest bardziej otwarty na te subtelne doznania sensoryczne, które konkretny sposób przygotowania ze sobą niesie.

K.G.: Może tak być, chociaż jest też niezbadany, przynajmniej nic o tym nie wiem, ale jest to efekt, który odczuwam sama na sobie psychologiczny, to znaczy jak już przepłacam za tę kawę na mieście, to mi smakuje bardzo źle. Jakieś oszalałe są te ceny kawy w ogóle, w Warszawie przynajmniej. Na Zachodzie tak to nie wygląda. Normalne espresso jest prawem człowieka.

M.L.: We Włoszech rząd reguluje maksymalną cenę espresso przy barze.

K.G.: Naprawdę?

M.L.: Tak, w Grecji tak samo. Na lotnisku w Grecji piłem kawę za euro pięćdziesiąt i tam było napisane w menu, że rząd grecki narzuca maksymalną cenę kawy espresso przy barze i koniec.

K.G.: Taki komunizm kawowy to ja szanuję.

M.L.: To ma dwa wątki. Z jednej strony rzeczywiście jest tak, że ponieważ zainteresowanie kawą jest tak ogromne, każdego dnia na świecie 2,5 miliarda filiżanek kawy jest spożywane. I to się robi coraz bardziej popularne, w szczególności kawa szturmem bierze rynki azjatyckie, gdzie wcześniej to jednak była domena herbaciana. Ale ta moda jakoś z Zachodu płynie w tamtą stronę. Podaż jest niewielka, popyt jest ogromny, a jednocześnie plantacje kawowe są narażone na ryzyko ocieplenia klimatu, bo kawa rośnie co prawda w takiej strefie około równikowej, ale na relatywnie dużych wysokościach, gdzie ten klimat jest troszeczkę chłodniejszy. Ocieplanie się klimatu i nieregularne zjawiska pogodowe, które się z tym wiążą, powodują ogromną presję na te plantacje, więc zbiory są trudniejsze, typowo mniejsze, ceny lecą w kosmos.

K.G.: Zostańmy w kuchni i chciałam cię zapytać o to, dlaczego zupa kipi? Dlaczego dzieje się coś takiego?

M.L.: A to jest irytujące zjawisko, prawda?

K.G.: No bardzo, tak.

M.L.: To wynika z tego, że sposoby transportu ciepła, takie jak uczymy się w szkole, że ciepło na skutek przewodzenia albo konwekcji, albo radiacji się rozchodzi, to tak naprawdę podgrzewanie zupy to jest świetny przykład gry pomiędzy przewodzeniem a konwekcją. To znaczy, że jeżeli mamy garnek z wodą i będziemy go podgrzewać, to mamy do dyspozycji dwa mechanizmy przekazywania ciepła. Z jednej strony ta cieplejsza dolna powierzchnia garnka powoduje powolną dyfuzję ciepła w stronę warstw chłodniejszych. I to pole temperatury się rozchodzi i wszystko się ogrzewa. Przy czym okazuje się, że ten mechanizm działa dobrze, o ile ta warstwa nie jest za gruba albo te różnice temperatur nie są za duże. I taki powolny, stabilny proces może przebiegać niezakłócony. Natomiast jak te warunki nie są spełnione, to ten mechanizm jest niestabilny i jego rolę przejmuje mechanizm konwekcyjny. To znaczy, że warstwy, które się ogrzewają bardziej, te dolne, ich gęstość się zmienia, maleje, w związku z tym one stają się wyporne i płyną do góry. Jak płyną do góry, to znaczy, że gdzieś indziej płyn musi płynąć w dół, bo ta masa płynu musi pozostać w miejscu. I pojawiają się takie prądy konwekcyjne. Pojawia się intensywne mieszanie.

Żeby je nieźle zwizualizować, to można wrócić do kawy. I tutaj ukłon w stronę tych, którzy piją kawę z mlekiem. Jak się doleje mleka do kawy, to niekiedy widać takie komórki konwekcyjne. Wlewamy mleko do kawy i zostawiamy, i tylko obserwujemy. Wtedy pojawiają się takie plamy jaśniejsze, gdzie to mleko chłodniejsze, które się ogrzało, płynie do góry, pojawiają się takie obszary, gdzie płynie w dół. Widzimy te komórki konwekcyjne. Ale to jeszcze nie wszystko, bo jeżeli będziemy podgrzewać jeszcze bardziej, to doprowadzimy do tego, że ta dolna warstwa zaczyna wrzeć. Jak zaczyna wrzeć, to pojawiają się oprócz tego jeszcze bąble powietrza, więc pojawia się jeszcze inny płyn w tym całym układzie. I te bąble powietrza, ponieważ mają bardzo małą gęstość, to bardzo szybko zaczynają wędrować ku powierzchni. Jak wędrują ku powierzchni szybko, to z jednej strony intensywnie mieszają tę zupę, a z drugiej strony, jak docierają do powierzchni, to pękają. Jak pękają, to rozbryzgują kropelki. I mamy proces kipienia. Jak ten proces jest bardzo intensywny i tych bąbli jest dużo, to pojawia się piana. I teraz ta piana potrafi być dość stabilna, dlatego że to, co stabilizuje pianę, to są zwykle długie cząsteczki, na przykład białka. Więc w takich organicznych płynach, jak zupa…

K.G.: Dlatego mleko tak chętnie kipi też, nie?

M.L.: Właśnie. W takich organicznych płynach, jak zupa albo mleko, tych białek, czyli stabilizatorów, jest pod dostatkiem, więc piany wytworzone w taki sposób są bardzo stabilne. I jak produkujemy tej piany bardzo dużo, to ona gdzieś musi w końcu wykipieć.

K.G.: Aż to dramatycznie zabrzmiało wszystko. I to się dzieje w moim garnku.

M.L.: Cały wszechświat tam się dzieje.

K.G.: Bo ja zawsze tak strasznie szybko gotuję. Pyk, pyk, pyk, na dziewiątkę na indukcji, a potem zapominam o czymś i słyszę takie pss.

M.L.: No właśnie, a dyfuzja ciepła jest procesem powolnym. I tu jest taki konflikt interesów, bo my byśmy chcieli, żeby te rzeczy działy się szybko, żeby jedzenie z zamrażarki odmarzało natychmiast, żeby zupa się gotowała natychmiast, a taki główny mechanizm transportu ciepła, czyli dyfuzyjny, przebiega jednak dosyć powoli. I od tego nie ma ucieczki. To znowu fizyka narzuca nam reguły gry. A z drugiej strony, żeby temu zaradzić, to trzeba by intensywnie mieszać, bo jak nie mieszamy, to właśnie wszystko kipi. Więc pewnie można by to przyspieszyć, tylko musiałabyś ciągle mieszać.

K.G.: No nie, bo ja w tym czasie przecież robię pięć innych rzeczy.

M.L.: Bo chcielibyśmy bezobsługowy proces.

K.G.: Tak. Marek pyta, też jeden z patronów, dlaczego zupa na drugi dzień smakuje lepiej niż zaraz po ugotowaniu? Wiesz? Masz pomysł?

M.L.: Myślę, że to jest pytanie do chemika. I sam bym się bardzo chętnie dowiedział.

K.G.: Na pewno się to rozważa jakoś, te wszystkie smaki się przegryzają.

M.L.: Musi być jakieś… Przegryza się, oczywiście, ale co to mityczne przegryzanie oznacza? Albo ten bigos na piąty dzień? Nie wiem, ale bardzo bym się chciał dowiedzieć. Więc jeżeli ktoś, kto się zna na arkanach chemii, będzie twoim gościem, to bardzo chętnie poznam odpowiedź na to pytanie.

K.G.: Z bigosem to trzeba uważać, jak to w filmie „Wesele”: w smaku dobry, a potem się całe wesele przecież potruło. Dlaczego woda z kranu kapie? Dlaczego nie leci choćby najcieńszym ciureczkiem? Dlaczego nie leci w dół? Kiedy kran jest niedokręcony, to nie leci choćby pojedyncza cząsteczka, ale razem tylko kapie.

M.L.: Tylko takie irytujące krople i one tak strasznie hałasują. Tak, to jest związane z taką własnością wszystkich płynów, które mają napięcie powierzchniowe. To znaczy, mówiąc najkrócej, napięcie powierzchniowe to jest taka własność związana z tym, że utworzenie powierzchni płynu kosztuje energię. Więc żeby wytworzyć powierzchnię płynu i ją zdeformować, trzeba włożyć energię. W związku z tym taki płyn, nawet jak płynie, szuka takich konfiguracji, które są optymalne z punktu widzenia energetycznego. To znaczy, żeby tej powierzchni było jak najmniej.

I okazuje się w związku z tym, że taki strumyczek w kształcie cienkiego cylindra, który opada z kranu, nie jest stabilny, bo dużo bardziej opłaca się takiemu strumieniowi rozpaść na krople. To zresztą jest taka słynna niestabilność hydrodynamiczna, ma dwa nazwiska, Rayleigha i Plateau. I ona powoduje, że krople tak często powstają w przyrodzie. Bo takie wydłużone struktury płynne po prostu nie są stabilne. Z tego samego powodu, jak mamy na przykład sieci pajęcze w taki ciepły, letni poranek, jak mgły osiadają, rosa się skrapla, to na sieciach pajęczych są takie maleńkie kropelki. Czyli te sieci znowu nie są pokryte taką jednorodną, cieniutką warstwą, tylko ta warstwa jest niestabilna i rozpada się natychmiast na kropelki. Po prostu kula to jest taki ulubiony w przyrodzie kształt, bo przy danej objętości minimalizuje pole powierzchni.

K.G.: Czyli ekonomia.

M.L.: Czyli ekonomia. Ekonomia matematyczna. Albo ekonomia energetyczna.

K.G.: Ta ekonomia jest w ogóle bardzo ważna i w fizyce, i w biologii. Bo gdzie się nie pogrzebie w różnych tematach, to to gdzieś tam wychodzi w różnych okolicznościach. Trzeba by kiedyś może zrobić na ten temat cały odcinek.

M.L.: To jest może taka ekonomia lenistwa, bo często różne mikro- i nie tylko organizmy nie robią rzeczy niepotrzebnie. Więc jeżeli jakieś działania kosztują wydatek energetyczny, bo trzeba się poruszyć albo trzeba gdzieś pójść, albo trzeba coś zrobić, to pytanie, czy to się opłaca.

K.G.: Katarzyna też pyta, jakie są optymalne warunki ubijania białek jaja oraz śmietany na sztywną, stabilną pianę. Głównie mowa o białkach. Zimne czy w temperaturze pokojowej, z dodatkiem soli, cukru czy solo?

M.L.: Na temat piany pewnie można by nagrać w ogóle osobny odcinek, bo to jest… Piany są takimi trochę magicznymi strukturami, bo to ani ciecze, ani ciała stałe, mają ogromne pęcherzyki gazu, pomiędzy nimi są takie cienkie warstwy cieczy. Takie piany zresztą ewoluują w czasie, bo one spływają, znaczy ta ciecz pomiędzy bąbelkami powietrza spływa pod wpływem grawitacji, więc z czasem takie piany właśnie przestają być stabilne. Ale to, co stabilizuje piany, to jest przede wszystkim obecność takich właśnie długich molekuł, na przykład białek. I dlatego właśnie ubijamy pianę z jajek czy z białka jajka. Dlatego, że tam jest tyle substancji takich polimerowych, które ją stabilizują, że jeżeli siłą wtłoczymy powietrze do takiego układu, to to powietrze zostanie zamknięte w tych bańkach.

Teraz, co się dzieje, jak dodajemy do takiej masy na przykład cukier albo sól. Z jednej strony zmieniamy własności fizyczne takich pian, bo zmieniamy ich lepkość, więc może być np. trudniej ubić taką pianę, ale za to po ubiciu będzie stabilniejsza. To tyle jeśli chodzi o cukier. Natomiast sól to jest jeszcze bardziej skomplikowana rzecz, bo wtedy w tej pianie pojawiają się kationy i aniony. I znowu pytanie, co się dzieje z tymi białkami, bo białka w zależności od ładunku elektrycznego w roztworze też mogą przyjmować różne konfiguracje. Więc pewnie tutaj trzeba by jakiegoś specjalisty od pian zapytać.

K.G.: Pieniacza.

M.L.: Pieniacza, zawodowego pieniacza. Natomiast intuicja jest tutaj taka, że dodanie soli albo cukru powinno działać podobnie. Są jeszcze inne substancje, które można dodawać, żeby takie piany stabilizować, natomiast wydaje się, że lepiej robić to raczej w niższej temperaturze. I pytanie, co potem z tą pianą chcemy zrobić. Akurat w moim laboratorium jest praca licencjacka, powstaje na temat tego, jak schną bezy. Więc my tutaj staramy się zrozumieć, w jaki sposób transport wilgoci i transport ciepła są ze sobą powiązane. Bo tutaj jest pole temperatury i lokalna zawartość wody, więc wilgotność. I te dwa pola jakoś ze sobą są związane. Jeszcze nie mamy dostatecznie dużo wyników, żeby się wypowiedzieć, ale mam nadzieję, że to jest kwestia kilku miesięcy i będę mógł opowiedzieć o fizyce bezy szwajcarskiej.

K.G.: Czyli co, raczej chłodniejsze te jajka ubijamy.

M.L.: Tak myślę.

K.G.: Dobra. A czy z solą, czy z cukrem, to zależy, co chcemy uzyskać.

M.L.: No bo to jeszcze niestety rzutuje na smak, więc to trochę pytanie, co my chcemy.

K.G.: Jeśli chodzi o pianę, to jeszcze chciałam zapytać o to, dlaczego piana jest nam potrzebna do zmywania i do mycia się. O co w tym chodzi?

M.L.: To znowu wracamy do napięcia powierzchniowego. To znaczy, jak łatwo albo jak trudno jest utworzyć powierzchnię. Samym celem dodawania mydła jest to, żeby obniżyć napięcie powierzchniowe cieczy i żeby ta ciecz łatwiej penetrowała w głąb różnych substancji, które chcemy zmyć. W związku z tym tak samo jak myjemy siebie, próbujemy te warstwy lipidów, jakiegoś pyłu, to wszystko, co chcemy z siebie spłukać po takim długim dniu, żeby to łatwo zeszło. Więc mydło obniża to napięcie powierzchniowe. Przy okazji powoduje jeszcze pienienie. Ale pienienie nie jest kluczowym procesem przy myciu. Pienienie jest tutaj takim efektem ubocznym. Natomiast cała gra się rozchodzi o obniżenie napięcia powierzchniowego. Jak będzie niskie, to woda z tymi substancjami zmydlającymi łatwo wniknie w głąb takich tłustych powierzchni i ten tłuszcz szybko zmydli i będzie go łatwo usunąć.

K.G.: Czyli ona wniknie gdzieś tam między zakamarki dłoni, tego typu rzeczy, tak? Bo tak to by się zatrzymała trochę na powierzchni.

M.L.: Bo jak płyn ma wysokie napięcie powierzchniowe, to może intuicja, o której można pomyśleć, jest taka, że jak weźmiemy sitko, jakiś cedzak i zanurzymy w wodzie, to woda zostanie pomiędzy tymi oczkami siatki. Teraz: im wyższe jest napięcie powierzchniowe, tym trudniej będzie ją stamtąd usunąć.

K.G.: Wyjdźmy z kuchni, wyjdźmy z domu. Przez chwilę byliśmy na łące i oglądaliśmy rosę, ale jeszcze pójdźmy nad jezioro czy jakiś tam malutki stawik i popatrzmy na nartniki. To są wariaci totalni. W sensie, jeśli ktoś potrafi chodzić po wodzie, to potrafią to robić nartniki. I moje pytanie jest takie: skąd one wiedzą, jak to robić, i czy nartniki mają doktorat z fizyki?

M.L.: To jest historia zupełnie biblijna. Nie wiem, czy mają doktoraty, ale wiem, że mają świetne intuicje. A jednak w fizyce wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy. I bardzo dużo naszej pracy opiera się na wyrabianiu sobie intuicji na temat tego, jak zjawiska fizyczne zachodzą, żeby potem móc to w języku fizyki czy też matematyki sformułować. To, co robią nartniki, to znowu temat napięcia powierzchniowego wraca jak sokół. One wykorzystują fakt, że ta powierzchnia cieczy może zostać odrobinę wygięta i ze względu na siły spójności pomiędzy cząsteczkami wody na takiej wygiętej powierzchni można się oprzeć. I teraz jeżeli wygnie się ją delikatnie, to ta powierzchnia będzie wciąż stabilna i one tymi swoimi nóżkami są w stanie rozłożyć swój niewielki ciężar ciała na tyle, żeby się na tej powierzchni wody unosić. Żeby taka sztuka się udała, trzeba być odpowiednio małym. Niestety nam by się to tak łatwo nie udało. Chyba że ta ciecz, na której byśmy chcieli chodzić, miałaby jakieś ogromne napięcie powierzchniowe. Ale dla wody i dla rozmiarów takiego nartnika to wystarczy.

K.G.: Mamy jeszcze jakiś przykład z przyrody? Ja nie mam, ale może by się coś przydało. Przychodzi ci coś do głowy?

M.L.: Ale są też fantastyczne prace na temat tego, jak nartniki się poruszają. To znaczy badacze bodajże z MIT w pewnym momencie zabarwili im nóżki atramentem. I dzięki temu zobaczyli, jak one pływają taką powierzchniową żabką. To znaczy, że poruszają tymi odnóżami w odpowiedniej kolejności i odpychają się od powierzchni wody. I to już nie jest taki przepływ z bardzo niską liczbą Reynoldsa. Tam te efekty bezwładności już się pojawiają, bo one są jednak trochę większe. I one, odpychając się, generują wiry w wodzie i te wiry dzięki obecności atramentu można było zwizualizować, więc był taki artykuł w „Nature” o tym, jak one za sobą taką ścieżkę wirową pozostawiają. To jest ciekawy przykład takich organizmów, które żyją na styku dwóch światów, że jednak te efekty lepkie są ważne, ale efekty bezwładności już się pojawiają.

K.G.: I powiedz, te wszystkie rzeczy, o których tak sobie tutaj lekko opowiadamy, czy to jest, że tak powiem, wybacz, nauka na serio? W sensie, wiesz, poważne prace, właśnie publikacje, tu wspomniałeś o „Nature”. Bo część słuchaczy może sobie pomyśleć: co wy tam tutaj za głupoty na tym uniwersytecie.

M.L.: Z jednej strony wydaje mi się, że każde pytanie fizyczne jest piękne. Odpowiedź na to pytanie jest dwojaka. Jedna to jest cytat z noblisty, wybitnego fizyka Richarda Feynmana, który powiedział kiedyś, że fizyka jest jak seks. Czasem coś z tego wychodzi, ale nie po to się to robi. I z jednej strony my zadajemy pytania na temat tego, jak działa świat z takiej naukowej ciekawości. Te pytania czasami brzmią niepoważnie, ale tak naprawdę zjawiska, o które pytamy, są jak najbardziej poważne. To jest jakaś wymówka, która prowadzi nas do całkiem poważnych pytań na temat tego, jak działa rzeczywistość wokół nas, i takich rzeczy, których po prostu jako ludzkość jeszcze nie wiemy. Więc jest to motywacja do zupełnie poważnych badań, które mają znaczenie dużo szersze niż w zastosowaniu do danego zjawiska.

Na przykład te kropelki z kapiącego kranu i takie efekty napięcia powierzchniowego mają również znaczenie dla tego, jak działają drukarki atramentowe, bo tam też operujemy maleńkimi kropelkami atramentu. Więc są zastosowania technologiczne i też nie każde badania muszą być nastawione od razu na te zastosowania technologiczne, żeby prowadzić do interesujących wniosków. Świetnym przykładem dla mnie są nagrody Ig Nobla, czyli takie potocznie się mówi o Antynoblach. I one są przyznawane za badania, które najpierw brzmią śmiesznie, ale potem powodują, że się zastanawiamy. O randze tej imprezy najlepiej pewnie świadczy to, że nagrody Ig Nobla są wręczane przez noblistów. Zresztą jest jeden noblista z fizyki, który otrzymał zarówno Nagrodę Nobla, jak i Nagrodę Ig Nobla, Andre Geim, który otrzymał Nagrodę Nobla za badania grafenu i otrzymał jednocześnie Nagrodę Ig Nobla za to, że spowodował lewitację żaby w polu magnetycznym.

K.G.: Fizyków zostawić na chwilę samych, naprawdę. Nad czym teraz pracujecie w zespole? Wiem, że jeden licencjat powstaje na temat tego, jak schną bezy. Co jeszcze?

M.L.: Pracujemy też nad tym, pozostając w sferze tego, jak poruszają się mikroorganizmy, pracujemy nad tym, jak poruszają się larwy morskich zwierzątek. Morskie larwy wyglądają zupełnie niepozornie, to są takie małe ziemniaczki. Na przykład larwa rozgwiazdy wcale jeszcze nie ma, bo na początku nie ma takiego pięciokątnego kształtu czy takiego gwiezdnego kształtu. To jest taki mały ziemniaczek, który jest pokryty rzęskami i teraz chcemy zrozumieć, w jaki sposób one poruszają tymi rzęskami, żeby tworzyć wokół siebie przepływ płynu. Ten przepływ płynu jest potrzebny do tego, żeby się poruszać, ale też jest potrzebny do tego, żeby mieszać płyn wokół siebie, żeby pobierać z niego substancje odżywcze. Więc one wykorzystują go dwojako i chcemy zrozumieć, w jaki sposób kształt ich ciała i to urzęsienie wpływa na ich możliwość z jednej strony lokomocji, a z drugiej pobierania substancji odżywczych ze środowiska. To są takie pytania na pograniczu mechaniki płynów, jak i fizyki biologicznej.

Poza tym zajmujemy się na przykład elastycznością biofilmów bakteryjnych. To znaczy bakterie nie tylko pływają, ale potrafią się też łączyć w takie kolonie. One wtedy przywierają do różnych powierzchni. I to ma najczęściej konotacje negatywne, że to biofilm na zębach, który się tworzy, jak się ich długo nie myje.

K.G.: Albo na kadłubie.

M.L.: I wtedy usunięcie takiego biofilmu jest bardzo trudne, więc my staramy się zrozumieć, w jaki sposób można badać własności mechaniczne takich biofilmów. To znaczy rozciągamy je w eksperymentach mikrofluidycznych i próbujemy na podstawie tego, co widzimy, zmierzyć ich własności elastyczne.

A jeszcze inna sprawa, z zupełnie innej beczki, którą się zajmujemy od jakiegoś czasu, to są procesy sedymentacji w oceanie. Tak zwany morski śnieg. To jest śnieg, który pada przez cały rok. Okazuje się, że zakwitom fitoplanktonu, te słynne sinice bałtyckie, zakwitom fitoplanktonu w morzach i oceanach towarzyszy gwałtowne pochłanianie dwutlenku węgla z atmosfery, który jest rozpuszczony w wierzchniej warstwie oceanu. Wtedy masa takiego fitoplanktonu gwałtownie rośnie, one się wszystkie tuczą na tym dwutlenku węgla, robią fotosyntezę, ale potem są albo zjadane, albo obumierają i zaczynają opadać na dno morza. Jak się obliczy, jaki jest strumień organicznego węgla związany z tym, że to wszystko opada na dno, to jest to całkiem poważna liczba, która jest porównywalna z tym, ile węgla emitujemy do atmosfery jako ludzkość.

I teraz zrozumienie tego mechanizmu opadania na dno, jak ten węgiel się tam znajdzie, to okazuje się, że skale czasu takiej oceanicznej cyrkulacji są na tyle duże, że on jest tam uwięziony przez wiele lat, przez setki albo tysiące lat. W związku z tym zrozumienie, jak ta tak zwana biologiczna pompa węglowa działa i jak ten eksport węgla postępuje w morzach i oceanach, jest istotnym składnikiem modeli klimatycznych. My staramy się na gruncie modeli płynących z fizyki statystycznej i mechaniki płynów zrozumieć, jak ten proces można opisywać teoretycznie, bo dysponujemy ogromną liczbą obserwacji oceanograficznych. Ten temat jest bardzo mocno badany. Natomiast wciąż na poziomie takich modeli teoretycznych jest jeszcze wiele do zrobienia. I to jest też takie pole do synergii. Nauka jest jedna i zarówno fizycy, biogeochemicy, oceanografowie, wszyscy patrzą na te zagadnienia z troszeczkę różnych kątów. Staramy się łączyć te spojrzenia, bo to są na tyle interdyscyplinarne zjawiska, że dopiero takie duże zespoły, z bardzo różnych kątów patrzące, są w stanie odpowiedzieć na te ważne dla nas pytania.

K.G.: A na koniec chciałam cię zapytać, czy skoro wiecie tak wiele na ten temat, to najlepsza kawa w mieście jest u was na Wydziale Fizyki?

M.L.: Na pewno jest najbardziej powtarzalna, ponieważ na potrzeby tych pomiarów, które prowadziliśmy, musieliśmy opracować dość drobiazgowy protokół eksperymentalny. Myślę, że mamy najbardziej powtarzalne espresso ze wszystkich warszawskich kawiarni. Czy najlepsze? Nie wiem, trzeba by potestować.

K.G.: Zapukam tam kiedyś do was na Pasteura.

M.L.: Z przyjemnością piję kawę w laboratorium, z przyjemnością piję w mieście.

K.G.: Prof. Maciej Lisicki, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Bardzo dziękuję za tę opowieść.

M.L.: Dziękuję.