איך זה שיין בוכה: אפקט מרנגוני ודמעות יין
08/04/2018
נסו פעם להטות כוס יין (עדיף אדום) או לטלטל אותה מעט והתבוננו מקרוב בדפנות הכוס. באזור שמעל הנוזל תוכלו להבחין בטיפות של נוזל צלול, דמויות דמעות, הזולגות מהדפנות חזרה אל הנוזל שבכוס. תופעה זו, המכונה "דמעות יין", נגרמת בשל אפקט מרנגוני והיא תוצאה של הבדל בין מתח הפנים (מושג שתכף נסביר) הנמוך יותר של אלכוהול לעומת זה של מים [1].
אפקט מרנגוני מתאר מעבר מסה לאורך שטח המגע בין שני חומרים זורמים, למשל נוזלים, כתוצאה מהפרש מתחי פנים ביניהם [2]. הראשון ששם לב לתופעה היה הפיזיקאי ג'ון תומסון, ב- 1855 [3]. הוא זיהה אותה ביין, המורכב ממים ואלכוהול, ומכאן שמה - "דמעות יין". מאוחר יותר, הפיסיקאי האיטלקי, קרלו מרנגוני (Carlo Marangoni), חקר את הנושא בהרחבה ופרסם את ממצאיו בשנת 1865 ועל שמו כונה האפקט המוביל לתופעה.
כדי להבין את האפקט, נסביר קודם כל מהו מתח פנים. עבור נוזל הנמצא במגע עם אוויר, קיים הבדל בין הכוחות הפועלים על מולקולות המצויות בגוף הנוזל (ה-bulk), לבין אלו הפועלים על מולקולות המצויות בפני השטח, באזור המגע עם האוויר. בגוף הנוזל, כל מולקולה נמשכת בצורה שווה בכל הכיוונים ע"י מולקולות שכנות לה הזהות לה באינטראקציה המכונה קוהזיה, כך שמאזן הכוחות סביבה מתאפס. לעומת זאת, למולקולה בפני השטח יש גם אינטראקציה, המכונה אדהזיה, עם מולקולות שבאוויר, שהינה חלשה מאוד בהשוואה לאינטראקציה שלה עם המולקולות שבגוף הנוזל. כתוצאה מכך, על המולקולות שבפני השטח מופעל כוח המושך אותן כלפי פנים. כוח זה יוצר מעין "מתיחה" של פני השטח של הנוזל, שגורמת להם להצטמצם לשטח המינימלי האפשרי. נטייה אלסטית זו של פני שטח הנוזל להצטמצם קרויה מתח פנים, והיא גם ההסבר לתופעות אחרות מחיי היום יום כמו בועות סבון, הצורה של טיפות נוזל, תנועת חרקים על פני המים ועוד [4]. בנוסף, אינטראקציות האדהזיה והקוהזיה הינן הבסיס לתופעת הנימיות או קפילריות, שגורמת לנוזל המצוי בכלי זכוכית, למשל יין, לטפס על דפנות הכלי באזורי המגע בינו לבין הזכוכית [5].
דמעות יין בצל שמטילה הכוס על הקיר.
אפקט מרנגוני נגרם משום שנוזל בעל מתח פנים גבוה, מושך יותר חזק את סביבתו מאשר נוזל בעל מתח פנים נמוך. לכן, הבדל במתחי פנים יגרום לנוזל "לברוח" מאזורים בעלי מתח פנים נמוך יותר. הבדל זה יכול להיווצר כתוצאה מהפרש ריכוזים או טמפרטורה בין אזורים שונים בנוזל. אז איך הוא מוביל ל"דמעות יין"? ובכן, לכהלים, בפרט לאתנול (או בכינויו העממי אלכוהול) המצוי במשקאות, מתח פנים נמוך יותר מאשר למים [6]. כאשר מערבבים אלכוהול עם מים באופן לא אחיד, כמו ביין, אזור שבו ריכוז האלכוהול נמוך יותר ימשוך את הנוזל המקיף אותו חזק יותר מאשר אזור שבו ריכוז האלכוהול גבוה יותר. התוצאה היא אפקט מרנגוני - היין ייטה "לברוח" מאזורים שבהם ריכוז האלכוהול גבוה ויימשך בהשפעת הנימיות במעלה הכוס. טיפוס זה של היין ייצור שכבה שממנה המים והאלכוהול יתאדו. אולם, האידוי של האלכוהול מהיר יותר מכיוון שלחץ האדים שלו גבוה יותר. כך יורד ריכוז האלכוהול בשכבה זו ובשל כך עולה גם מתח הפנים של הנוזל בה. כתוצאה מכך, נוזל נוסף יימשך למעלה עד להיווצרות טיפות. אלו גדלות עד שהמשקל שלהן (כוח הכבידה) גובר על הכוח של אפקט זה, וגורם להן לטפטף חזרה על גבי דפנות הכוס במה שנראה כמו דמעות זולגות.
צבען של "הדמעות" הללו הוא בהיר מאשר צבעו של היין שבכוס, מה שמקשה מעט על ההבחנה בתופעה. אחת הסיבות לכך היא הבדלי הצפיפויות בין החומרים ביין שמקנים לו את צבעו, למשל תרכובות פנוליות [7], לבין תערובת המים-אלכוהול שאחראית לתופעת הדמעות. התרכובות הפנוליות הן צפופות וכבדות יותר בהשוואה לתערובת המים-אלכוהול, ולכן מתרכזות בעיקר בתחתית הכוס ולא מגיעות כל כך לשכבה שממנה מתחילות ה"דמעות".
לעתים נטען באופן שגוי שיין שהתופעה בו מוגברת, הוא מתוק יותר או בעל איכות טובה יותר [8]. בפועל עצמתה של התופעה תלויה אך ורק באחוז האלכוהול שביין. ככל שאחוז זה גבוה יותר התופעה מתגברת ויותר קל להבחין בה, היות שמפל מתחי הפנים שתואר גדול יותר. ניתן לבטל לחלוטין את התרחשות התופעה ע"י כיסוי כוס היין, דבר המונע את האידוי של האלכוהול ממנה.
מקורות וקריאה נוספת:
[1] על דמעות יין, אפקט מרנגוני ומידול שלו
[2] הסבר נפרד ונרחב על אפקט מרנגוני כולל סרטונים
[3] ממצאיו של ג'ון תומסון
[4] הסבר על מתח פנים ותופעות שקשורות אליו
[5] הסבר והרחבה על תופעת הקפילריות
[6] ערכי מתח פנים עבור נוזלים שונים
[7] על התרכובות הפנוליות שביין
[8] על היעדר הקשר בין מתיקות היין ואיכותו לתופעה
לקריאה נוספת:
- קישור נוח לסרטון ב- youtube מ- comsol עם המחשות של התופעה ביין וברום
- מאמר ב- nature עם תובנות חדשות על התופעה
הערה: התמונה הראשית היא ברשיון CC BY-NC-SA 4.0 והמשנית ברשיון CC-BY-SA-3.0.
דוקטורנט לכימיה אי-אורגנית באוניברסיטה העברית בירושלים. חוקר סגסוגות דו-מתכתיות בעלות מבנה ננו-נקבובי ואת שימושיהן כזרזים בתגובות כימיות.
