Nauka dla Społeczeństwa

24.02.2024
PL EN
02.07.2023 aktualizacja 03.07.2023

Przez kuchnię do innowacji w biomedycynie i nanotechnologii

Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Jak powstają bąbelki w szampanie, jak zaparzyć idealne espresso i jak „kuchenne rewolucje” mogą przyczynić się do innowacji w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle, biomedycynie i nanotechnologii - odpowiedzi udzielają fizycy w przeglądowej publikacji.

"Kuchnia może być znakomitym miejscem do prowadzenia eksperymentów, a nawet dokonywania odkryć naukowych" – przekonuje dr hab. Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW), współautor publikacji w czasopiśmie Reviews of Modern Physics. Zespół naukowców, w skład którego wchodzą też dr Arnold Mathijssen z Uniwersytetu Pensylwanii, dr Endre Mossige z Uniwersytetu w Oslo oraz dr Vivek N. Prakash z Uniwersytetu w Miami, zgłębia historię nauki o żywności i pokazuje, w jaki sposób zjawiska w kuchni prowadzą do innowacji w biomedycynie i nanotechnologii.

"Kuchnie oferują niską barierę wejścia do uprawiania nauki: wszystko, czego potrzebujesz, aby przeprowadzić szereg reakcji to garnki, patelnie i kilka składników" – tłumaczy dr Arnold Mathijssen z Uniwersytetu Pensylwanii cytowany na stronie internetowej FUW.

Z początku proste eksperymenty kuchenne wyewoluowały w ponad 70-stronicową analizę zjawisk naukowych, stojących za codziennymi czynnościami - od gotowania posiłku po parzenie filiżanki kawy. Rezultaty swojej pracy zespół badaczy przedstawił w postaci menu.

SZAMPAN WYLEWA SIĘ

Na początek - fizyka napojów i koktajli. Naukowcy omawiają ją na przykładzie butelki szampana. "Po charakterystycznym 'wystrzale' obserwujemy, jak wokół szyjki butelki powstaje mgiełka. Zjawisko to jest związane z gwałtowną zmianą ciśnienia. Wewnątrz butelki wynosi ono niemal pięć atmosfer, ale po jej otwarciu spada do jednej atmosfery, czyli ciśnienia otoczenia. Rozprężaniu towarzyszy spadek temperatury, który sprawia, że para wodna, gromadząca się w okolicy ujścia butelki zamarza, a dwutlenek węgla, wydobywający się z butelki - skrapla się" – tłumaczy dr Lisicki.

W swojej publikacji badacze przyglądają się także kwestii bąbelków, które nadają winom musującym ich wyjątkowy smak. "Cyrkulując, bąbelki wymuszają transport płynu w kieliszku, a co za tym idzie - uwalnianie i rozchodzenie się nut zapachowych i aromatów" – dodaje badacz. Z części pracy poświęconej napojom i koktajlom dowiemy się również, co sprawia, że piana w piwie jest tak gęsta i stabilna, dlaczego anyżówki, takie jak rakija czy ouzo, mętnieją po dodaniu odpowiedniej ilości wody (zjawisko to nosi nawet nazwę „efektu ouzo”), a także czym są „łzy w winie”.

WODA SURFUJE PO PATELNI

Przechodząc do dania głównego, naukowcy wyjaśniają rolę ciepła i jego wpływ na tekstury, aromaty i smaki żywności. Opisują m.in. efekt Leidenfrosta, w którym ciecz na bardzo gorącej powierzchni tworzy izolującą warstwę pary, zapobiegając szybkiemu wrzeniu. "Rzucone na patelnię kropelki wody 'surfują', a nawet podskakują na jej powierzchni, zamiast natychmiast wyparować – mówi dr Lisicki i dodaje, że odpowiednia temperatura ma kluczowe znaczenie w przygotowywaniu wielu potraw. – Nie trzeba mieć doktoratu z fizyki, aby usmażyć idealnego steka. Każdy wie, że wymaga to szybkiego przesmażenia mięsa na odpowiednio gorącej patelni. Dochodzi wtedy do ścięcia białek na powierzchni steka i zaizolowania wilgoci w jego wnętrzu".

DOKTORAT ZE ZMYWANIA NACZYŃ

W tekście publikacji zawarte są przykłady odkryć naukowych, których badacze dokonali, nie wychodząc z własnej kuchni. Jedną ze związanych z tym opowieści jest życiorys Agnes Pockels, omówiony przez dr. Arnolda Mathijssena.

Jako kobieta żyjąca w Niemczech pod koniec XIX wieku, Pockels nie mogła uczęszczać na uniwersytet, aby zdobyć formalne wykształcenie. Prowadząc gospodarstwo rodzicom i spędzając wiele czasu w kuchni, szybko zaczęła tam eksperymentować. Obserwując tworzenie się piany i błon na powierzchni brudnych naczyń, jako pierwsza opisała zjawisko napięcia powierzchniowego oraz opracowała przyrząd do jego pomiaru. Początkowo czasopisma naukowe nie chciały publikować wyników jej doświadczeń ze względu na brak wykształcenia i przynależności do kadry uniwersyteckiej. Pierwsza jej praca ukazała się za pośrednictwem lorda Rayleigha w „Nature” i przyczyniła się do zrozumienia własności powierzchni cieczy. Agnes Pockels zyskała wtedy rozgłos i poważanie, a wszystkie kolejne prace publikowała w najznakomitszych czasopismach.

SOS DO SAŁATKI A NANOINŻYNIERIA

Badania naukowe w dziedzinie mechaniki płynów mogą pomagać w ulepszaniu technologii przetwarzania żywności, a także znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach, takich jak nanoinżynieria czy medycyna. "W jednym z wcześniejszych badań (...), prowadzonych przez mój zespół wykorzystaliśmy prostą emulsję, będącą podstawą dressingów do sałatek, czyli olej z wodą. Udało nam się sprawić, że kropelki takiej emulsji, z dodatkiem surfaktantu, pod wpływem temperatury tworzyły wici i poruszały się jak bakterie. Takie nietoksyczne, biokompatybilne mikropływaki mogłyby być w przyszłości wykorzystywane np. do precyzyjnego dostarczania leków w dowolne miejsce w naszym organizmie" – wyjaśnia dr Lisicki.

W obecnej pracy podkreślono również możliwość zastosowania innowacji kuchennych w obszarach takich, jak bezpieczeństwo żywności i kontrola jakości. Wdrażając urządzenia, które mogą wykrywać patogeny lub toksyny przenoszone przez żywność, oparte na zasadach dynamiki płynów, społeczność naukowa może znacząco przyczynić się do poprawy zdrowia publicznego.

"Przepływy kuchenne pokazują nam, że doniosłe zagadnienia naukowe są dostępne na wyciągnięcie ręki i nie zawsze wymagają kosmicznych technologii do ich zbadania. Z drugiej strony, niejedna kosmiczna technologia narodziła się z inspiracji zjawiskami życia codziennego. Kuchnia może nas zatem bawić, ale i uczyć – w tym wypadku fizyki. Dlatego warto dać upust swojej ciekawości i poeksperymentować" – podsumowuje dr Lisicki.(PAP)

Nauka w Polsce

kol/ bar/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024