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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Physique de l’espresso
On a beau préparer deux cafés dans les mêmes conditions, les goûts sont parfois très différents… explication.

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau doit être d’environ 90°C, son volume de 25 mL et afin qu’elle traverse 7 à 9 grammes de café en 20 à 30 secondes, il faut lui appliquer une pression de 9 à 10 bars, voire davantage. L’objectif de cette opération est que l’eau se gorge des différents arômes et molécules du café, tout en produisant une fine mousse. Aux dires des experts, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la masse de café drainée par l’eau est située entre 17 et 23 % de la masse initiale. C’est le pourcentage d’extraction. Au-delà de 23 % le goût est perçu comme étant trop amer et en deçà de 17 % il est jugé aigre.

Une grande variabilité pour une même préparation

Le problème rencontré par les amateurs d’espresso repose sur le fait bien connu que deux cafés préparés dans des conditions identiques ne possèdent souvent pas le même goût. Il fallait donc comprendre pourquoi. Cela met en jeu notamment la mécanique des fluides en milieux granulaires, une discipline relativement jeune qui n’a pas livré tous ses secrets. Les expériences et simulations numériques effectuées récemment par une équipe internationale ont montré qu’effectivement la différence entre deux espressos préparés de manière identique n’est pas subjective mais bien réelle, le pourcentage d’extraction variant grandement d’une préparation à l’autre. La raison est que lorsque le café est moulu très finement - comme la tradition l’encourage- elle ne mouille pas toujours la même quantité de grains, la part des grains restés secs variant aléatoirement. En effet, pour traverser le milieu poreux formé par les grains, l’eau emprunte des chemins plus ou moins ramifiés d’une préparation à l’autre.

Moudre moins finement

L’étude menée par les physiciens recommande de ne pas suivre la tradition et d’éviter de moudre le café trop finement. Les tests montrent qu’avec de plus gros grains les variations sont moindres et l’espresso obtenu plus « reproductible ». L’élément aléatoire étant éliminé, il devient possible d’ajuter les autres paramètres (température, pression, durée de l’écoulement) pour obtenir les meilleurs résultats. Les amateurs de café verront bien si dans les années à venir les espressos vont gagner en qualité.

Le 25/03/2020

Pour en savoir plus
Une page d'amateurs :
https://www.symscape.com/blog/fluid-dynamics-and-perfect-espresso 

Kamil Fadel
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