Comment se forme le plasma avec du raisin et un microonde

Le mystère des demi-raisins qui flambent élucidé par des physiciens

Une news dans Nature du 17 février 2019 (ici) rapporte que des chercheurs à la Trent University de Peterborough au Canada, ont élucidé un phénomène fascinant présenté dans de nombreuses vidéo sur Youtube : des demi-raisins accolés et placés dans un micro-onde produisent une brillante lumière « boule de feu ici par ex, » quand on allume l’appareil.
Pour de la physique spectacle cela stimule l’intérêt et motive, mais il n’était pas très clair quelle était la cause de ce phénomène.  Récemment Khattak, H. K., Bianucci, P., & Slepkov, A. D. (2019) ont publié dans PNAS (ici) leur analyse des données de plusieurs expériences produites en soumettant deux sphères d’eau à un faisceau de micro-ondes. L’article argumente solidement qu’il s’agit de plasma produit par la focalisation des ondes et non par la conduction électrique.
Leur article permet de discuter sur la base de données expérimentales, pas seulement d’affirmer

Jump-to-science : pour comprendre et pas seulement répéter les conclusions

L’article d’origine permet de répondre aux élèves qui demandent : « mais comment ils le savent ? « 
Sa lecture fait aussi plaisir au scientifique qui veut peut voir l’originalité des expériences, vérifier leur rigueur et apprécier le discours nuancé de la discussion.
Pour un scientifique, cela change agréablement des médias sociaux où tout est déclaré « scientifiquement prouvé » sans fournir la justification ou permettre  de vérifier.
Et quand on vérifie, on constate que l’information est parfois très déformée…  (cf p. ex ici et ici).

Jump-to-Science vous facilite et vous offre l’accès à l’article d’origine. (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
Et vous donne peut-être envie d’aller voir …  ;-) )
The plasma formed between two hydrogel beads glows as            they are irradiated in a microwave oven.

Fig 1:  Un plasma est produit lorsqu’un micro-ondes chauffe deux perles, reproduisant l’effet de la cuisson d’un raisin au micro-ondes. [img]. Source :Hamza K. Khattak

Un plasma produit par la focalisation des ondes ?

La physique de la diffusion de la lumière sur des sphères explique en partie pourquoi un raisin chauffé dans un four à micro-ondes peut générer un gaz brillant et très chargé.
Dans des dizaines de vidéos YouTube de raisins au micro-ondes, un plasma – un gaz brillant de particules chargées – s’échappe du «pont» cutané qui maintient ensemble les deux moitiés d’un raisin coupé. Selon de nombreuses explications en ligne, les moitiés de raisin agissent comme une antenne adaptée aux micro-ondes énergétiques. La peau humide étant hautement conductrice, un courant traverserait cette antenne et longerait la surface du pont.

Aaron Slepkov de l’Université Trent à Peterborough, au Canada, et ses collègues ont estimé que cette explication était incorrecte. En combinant les données de vidéo rapide, d’imagerie thermique, de simulations informatiques,  et de brulure de papier thermique,  ils ont montré que les moitiés de raisin forment une cavité qui absorbe et focalise le rayonnement micro-ondes en un point chaud là où les moitiés se touchent. Ce rayonnement ionise les atomes de potassium et de sodium dans la peau du raisin.


Fig 2:  Les chercheurs montrent comment un four à micro-ondes produit un plasma avec un raisin coupé en deux. [img]. Source :Hamza K. Khattak

The plasma formed between two hydrogel beads glows as              they are irradiated in a microwave oven.

Deux sphères que l’équipe à composé avec de l’eau presque pure (hydrogel) et sans peau, mises en contact les unes avec les autres on pu reproduire le phénomène (cf. Fig 1) : le point chaud résultant au point de contact des billes s’est aussi avéré capable de générer du plasma.

Mais comment ?

Ils ont fait plusieurs expériences et simulations pour identifier la cause du phénomène (conduction ? Focalisation des ondes ? …)  :

Fig. 3.
Fig 3:  Rapprochement des demi-raisins dans le micro-onde et effet sur la température ( milieu), la densité d’énergie ( droite)  . [img]. Source :Hamza K. Khattak

Fig. 6.

Fig 4:  Les marques sur le papier thermique entre les demi-raisins révèlent que gradient de température (la densité de champ) est maximal à mi-chemin et non à la surface des raisins. [img]. Source :Hamza K. Khattak

Les chercheurs résument leurs expériences

« Through a combination of videography, FEM simulations, IR thermal imaging, and thermal-paper sectioning, we have shown that the popular-science phenomenon of forming plasma with grapes in a household microwave oven is explained by MDR behavior. Grapes act as spheres of water, which, due to their large index of refraction and small absorptivity, form leaky resonators at 2.4 GHz. Mie resonances in isolated spheres coherently add when brought together such that the aqueous dimer displays an intense hotspot at the point of contact that is sufficient to field-ionize available sodium and potassium ions, igniting a plasma. This hotspot is shown to be spatially confined on subwavelength scales that approach λ0/100

Because water has a larger index of refraction, at 2.4 GHz, than any known dielectric at visible frequencies, it is possible to explore unique resonance geometries in the microwave regime that are currently inaccessible at visible wavelengths. Thus, this work is likely to open experimental opportunities for modeling nanophotonic resonance phenomena with scaled-up objects illuminated at microwave frequencies. More direct applications may include the design of passive omnidirectional wireless antennas, superresolution microwave excitation and imaging, and the invention of microwave-pumped dielectric spaser analogues. »

Jump-to-science ne vulgarise pas pour vous…
mais vous aide à accéder à la science … et à la transposer pour vos élèves

Nous encourageons le lecteur à consulter les articles d’origine.
Et les fournir ou les regarder avec ces élèves à la curiosité insatiable  ?

Références:

Cette entrée a été publiée dans Perspective sur les savoirs, Savoirs en sciences, avec comme mot(s)-clef(s) , , . Vous pouvez la mettre en favoris avec ce permalien.

Les commentaires sont fermés.