La formule du gaz carbonique est CO2. Ce composé est soluble dans les fluides aqueux, ce qui est à l’origine de divers effets comme l’acidification des océans par l’accroissement progressif de la concentration atmosphérique en CO2. Cependant, comme la solubilité dépend de la pression, et augmente avec la pression, toute solution de CO2, crééé à haute pression et brutalement ramenée à la pression atmosphériquece sera le siège d’un dégagement de bulles dues au dégazage de l’excès de CO2.
Ce phénomène « hors d’équilibre », va progressivement ramener la solution à l’équilibre : une solution ne produisant plus de bulles, dite « plate ». Ce phénomène est à l’origine de diverses boissons dites « gazeuses », naturelles ou artificielles, ainsi que la cause de décès fréquents de plongeurs en scuba-diving, dont le sang pétille de bulles d’azote, s’ils remontent trop vite à la surface (comme la pression est plus élevée en profondeur, leur sang se charge en azote, lequel dégaze sous forme de bulles s'ils remontent à la surface, provoquant une embolie "gazeuse" strictement mortelle).
Le CO2 étant soluble également dans les solutions alcooliques concentrées, il est à l’origine de boissons dites mousseuses.
Un phénomène très intéressant à observer est la nucléation des bulles accompagnant le dégazage. La nucléation désigne l’apparition d’un « noyau » microscopique, en général composé de quelques molécules, lequel noyau croît rapidement pour former une bulle reconnaissable à l’œil nu (un phénomène analogue est à l’origine des croissances cristallines).
La physique hors d’équilibre distingue la nucléation homogène de la nucléation hétérogène. La nucléation homogène consiste en l’apparition spontanée de bulles « dans le volume » du liquide, sous l’effet de « fluctuations » de concentrations statistiques. Ce phénomène, quoique toujours possible, est rarement observé, car la nature préfère la nucléation « hétérogène ». La nucléation hétérogène consiste en l’apparition de bulles en un point singulier d’une surface, paroi de verre d’un verre, par exemple, où pour des raisons moléculaires, la solubilité du CO2 est abaissée localement, ce qui favorise la nucléation ponctuellement (NB, la nucléation homogène est favorisée par l'agitation, mais ils 'agit en quelque sorte d'un cas particulier de nucléation hétérogène, comme lorsqu'on agite une boisson brune et sucrée).
En général, la cause de ce favoritisme (la nucléation hétérogène), est que les molécules du composé gazeux sont piégées à la surface (du verre par exemple) par des liaisons atomiques pendantes. En immobilisant ponctuellement les molécules du gaz dissout, la paroi favorise leur rencontre, et la formation localisée d'une première nano-bulle qui croît, puis décolle comme une montgolfière. A cet endroit, des rafales de bulles seront observées.
C’est un phénomène classique qu’un point de nucléation hétérogène induit une zone d’exclusion autour de lui : si les bulles apparaissent là, alors elles inhibent la production de bulles alentour, en raison de l’abaissement local de la concentration dû à la fuite du gaz par le point de nucléation hétérogène. Le dosage entre la densité de sites de nucléation hétérogène et la sursaturation de la solution définira la taille des germes ; c’est d’ailleurs un des procédés favoris pour la production industrielle de poudres ; c’est un des sujets les plus importants de l’industrie, mais on n’en entend jamais parler car c’est trop low-tech).
La soirée d’hier fut très intéressante sur le plan de l’étude appliquée de la nucléation croissance.
En effet on remarquera qu’une boisson gazeuse alcoolique ordinaire, produit un dégazage chronique par un point de nucléation presque unique :
Cependant, une expérience de « coin de table » très simple, et que tout le monde peut faire chez soi, montre que, l’opérateur ayant au préalable vidé le verre de son contenu, puis l’ayant à nouveau rempli, le point de dégazage des bulles se trouve au même endroit. :
L’opérateur peut alors recommencer l’opération une troisième et une quatrième fois :
Sans que le point de dégazage n’ait varié. On veillera à ne pas perdre l’orientation du verre entre deux prises de vues. On pourra éventuellement noter sur la nappe les résultats.
En conclusion : les sites de nucléation sont bien une propriété intrinsèque de la surface du verre, et non du liquide introduit dans le verre.