Por qué las uvas producen un plasma en un horno microondas

Por Francisco R. Villatoro, el 20 febrero, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 5

Hay un experimento casero muy popular para producir un plasma. Se parte una uva por la mitad y se ponen las dos mitades juntas en un horno microondas. Conviene colocarlas cerca del borde de la bandeja rotatoria. También se puede hacer con dos uvas sin partir cercanas. Cuidado, sobre todo si hay niños delante, todo experimento debe estar supervisado por adultos. ¿Por qué sucede esto? La uva actúa como cavidad resonante para las microondas (ondas centimétricas). Cuando se juntan dos cavidades esféricas (o hemiesféricas) resonantes se concentra el campo electromagnético en la región milimétrica que las separa (cuyo tamaño es menor que la longitud de onda). Así se ionizan el sodio y el potasio de la piel de las uvas, disparando la producción del plasma.

Se publica en PNAS esta nueva explicación de este curioso fenómeno. En muchas páginas web puedes leer que se requiere que haya piel entre ambas uvas para que actúe como una especie de cable eléctrico; por ello se recomienda cortar una uva en dos mitades con cuidado de mantenerlas pegadas. Sin embargo, no es necesario, como demuestran los experimentos realizados con bolas de hidrogel centimétricas, que no tienen piel, separadas menos de tres milímetros. Los vídeos con cámaras térmicas de alta velocidad se han confrontado con los resultados de simulaciones por ordenador.

El nuevo resultado recuerda mucho a los plasmones superficiales que aparecen entre nanoesferas metálicas; algunos recordaréis los «besos cuánticos» entre nanoesferas de oro de Javier Aizpurua et al. en Nature (“Resonancias plasmónicas y efecto túnel de electrones entre dos esferas de oro que se “besan”,” LCMF, 08 Nov 2012). Por cierto, recomiendo ver el vídeo de youtube más abajo, que recopila los vídeos de la información suplementaria del artículo de Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, Aaron D. Slepkov, “Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers,” PNAS (19 Feb 2019), doi: 10.1073/pnas.1818350116. Un asunto tan llamativo ha provocado cierto revuelo en los medios en español, como “La explicación de por qué las uvas generan plasma en el microondas,” Agencia SINC, 19 Feb 2019 (que aconsejan que “no conviene hacerlo en casa ni en el colegio sin supervisión”).

Este vídeo se inicia con el plasma creado entre dos hemisferios de uva unidos por un trocito de piel (la versión más tradicional del experimento). Luego se repite el experimento con dos uvas enteras (sin cortar) juntas formando un dímero, que tras la aparición del plasma se separan ligeramente. Más tarde se muestra el experimento con bolas de hidrogel, de tamaño similar a uvas, que un minuto antes del experimento fueron introducidas en una salmuera (NaCl); este último paso es fundamental para la producción del plasma, mostrando que el plasma está formado por iones de la piel de la uva. Finalmente, se muestran imágenes con cámaras de alta velocidad tanto de las uvas (1000 fps) como de las bolas de hidrogel (2000 fps); se observan oscilaciones mecánicas inducidas por la aparición del plasma.

La producción del plasma está concentrada en el punto de contacto (o en el punto más próximo entre ambas esferas cuando están separadas). En ese punto se alcanzan temperaturas de unos ≈85 ºC. Para demostrarlo se puede usar papel térmico en la curiosa configuración mostrada en esta fotografía. Se han usado quince capas de papel térmico. La imagen muestra el resultado tras tres segundos de irradiación de microondas. Solo observa un punto caliente (de tamaño decreciente conforme las capas se alejan del punto de contacto.

Por cierto, también se han realizado experimentos con huevos de codorniz (24 mm de diámetro en el eje menor). No se observa el plasma a simple vista, para usando papel térmico se observan puntos calientes similares al experimento con uvas.

Esta figura ilustra cómo cambian los modos resonantes en las uvas cortadas (hemisferios) conforme se acercan. A la izquierda se observa la imagen óptica; en el centro la imagen termográfica (obtenida menos de diez segundos después de irradiar en el microondas las uvas durante tres segundos; a la derecha se obtienen las predicciones obtenidas con simulaciones por ordenador de la energía de los modos usando el método de elementos  finitos (FEM vía COMSOL Multiphysics).

La ventaja de las simulaciones por ordenador es que permiten realizar medidas (computacionales) de gran precisión. En esta figura se  muestra la absorción del campo eléctrico en los modos para irradiación con ondas planas a 2.45 GHz que se propagan en la dirección z y polarizadas en el eje x. En la parte superior se asume un coeficiente de absorción ϵ2=0.2, muy inferior al del agua, y en la parte inferior el del agua, ϵ2=10 (en las simulaciones por ordenador se ha usado como constante dieléctrica del agua ϵ = 79 + 10 i). A la izquierda, dos esfera en resonancia (con radio r = 9.5 mm), en el centro, ligeramente fuera de resonancia (r = 10 mm) y, a la derecha, mucho más lejos de la resonancia (r = 24 mm). La imagen de abajo a la derecha muestra muy bien el campo concentrado entre las dos esferas (aunque para explicar el experimento sea la imagen menos relevante).

En resumen, un trabajo muy interesante para los profesores de física y, en especial, para los de física computacional. Si se atreven pueden combinar medidas experimentales con simulaciones numéricas por ordenador. Sin lugar a dudas sus alumnos disfrutarán.

[PS] Este vídeo explica muy bien el efecto. El efecto del índice de refracción del agua (~10) reduce la longitud de onda de microondas (~12 cm) hasta un tamaño comparable a la uva (~1.2 cm); así la uva se comporta como una cavidad resonante. [/PS]



5 Comentarios

  1. Hola he estado siguiendo tu página de ciencia y me parece muy interesante, aunque para un arquitecto como yo nos cuesta mas entender cosas muy científicas, aún asi me gusta, mi duda es..¿porqué saltan chispas de entre las uvas?

    saludos desde México

    1. Abad, como indico en la entrada, el campo eléctrico se concentra entre las dos uvas alcanzando un densidad suficiente para ionizar el sodio y el potasio contenido en la piel de la uva, o el sodio en las bolas de hidrogel en salmuera; como en una lámpara de vapor de sodio, estos iones excitados se desexcitan emitiendo luz visible.

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