一杯咖啡,一篇Nature,一滴威士忌,一篇ACS Nano,生活處處有科學

為什麼別人用咖啡和威士忌都能發文章呢?

咖啡環效應,是指當一滴咖啡或者茶滴落在桌面上時,其顆粒物質會在桌面上留下一個染色污漬。該污漬邊緣的顏色比中間更深,形成環狀斑的現象。1997年,芝加哥大學Deegan等認為“咖啡環”效應的產生是由於液滴邊緣蒸發速率大於中心蒸發速率,導致液滴內部產生一個向外的毛細流動,將懸浮的粒子帶至液滴邊緣沉積成環。相關論文以“Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops”於1997年發表在《Nature》上。該實驗表明,我們其實可以改變顆粒的形態就可以將其消除,這就是從顆粒的本質上著手,達到消除的效果,這為塗料工程師提供瞭一種新方法。

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威士忌(Whisky、Whiskey)是一種由大麥等谷物釀制,在橡木桶中陳釀多年後,調配成43度左右的烈性蒸餾酒。英國人稱之為“生命之水”。按照產地可以分為:蘇格蘭威士忌、愛爾蘭威士忌、美國威士忌和加拿大威士忌四大類。美國威士忌是一種蒸餾而成的烈酒,瓶裝時的ABV(alcohol by volume)不低於40%。美國威士忌包括有各種各樣的威士忌酒,如波旁威士忌,黑麥威士忌,和小麥威士忌等,它的主要特點就是在糖化過程混合瞭谷物以增加口感。在發酵過程中,由副反應形成的同源物(congeners)次級產物決定瞭最終威士忌的口感。同源物包括酚類、芳香類、酯類、醛類等。在威士忌的儲藏過程中,木頭的成分會不斷地被液體萃取,且威士忌中不同的有機質之間不斷發生反應。美國威士忌區別於其他威士忌的地方就在於陳釀過程中使用的新的橡樹桶。新橡樹桶使得美國威士忌的固體含量更高。

那麼,除瞭這些,還有什麼不同呢?對於一個化學系不會品酒的小編該怎麼去區分呢?不用急,美國路易斯維爾大學Stuart J. Williams團隊呈現給我們一種識別美國威士忌的方法。他們的研究以題為“Multiscale Self-Assembly of Distinctive Weblike Structures from Evaporated Dilute American Whiskeys”的文章在權威期刊《ACS Nano》上發表。

【怎麼發現的呢】

作者將易揮發的美國威士忌的液滴蒸發,發現液滴蒸發後會留下有層次的網狀圖案,並將之稱為“whiskey web”。不得不說作者的觀察真仔細。

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在這裡我們展示下作者多種多樣的“whiskey web”圖案。作者將各種已有的威士忌產品稀釋,使得酒精含量保持在20-25 vol.%之間,再將液滴幹燥,便可以得到直徑大約2mm的圖案。

再回到威士忌本身,威士忌所含的許多有機成分都是兩親性的和溶於乙醇的。用水稀釋威士忌以後會導致兩親性分子聚集成納米維度的團聚體,如圖所示,作者用丁達爾效應證明瞭納米聚集體的形成。

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【究竟是怎麼形成的呢】

作者首先探索瞭這種結構究竟是在底板上還是在液-氣界面形成的。

手動聚焦會發現,液滴表面形成一層液膜,表明結構是在液-氣界面形成的,意味著單分子層的形成和塌陷。如圖所示,1 min時的初始圖像是軸對稱的;4分鐘時,隨著單分子層膜的坍塌,反射變得扭曲;單分子層不斷地在液滴表面塌陷,一旦液滴完全蒸發(9 min時),這些特征就更加明顯瞭。

側面圖可以很清晰地看出蒸發過程中的界面變形,也能說明在液-氣界面逐漸產生一個不均勻的力。

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一杯咖啡,一篇Nature,一滴威士忌,一篇ACS Nano,生活處處有科學在whiskey web形成期間,流動相和單分子層自組裝的示意圖。(a)第一個階段的特征是不穩定,乙醇分子被驅動到液-氣界面,改變瞭單分子層的形成和成分;(b)在蒸發過程中,液滴的界面面積逐漸減小,單分子層膜發生坍塌。

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當威士忌在15-25% ABV的范圍內被稀釋時,就可以形成whiskey web。當稀釋後的酒精濃度小於10 vol.%時,就會形成咖啡環(a),但發酵太久的美國威士忌卻不能形成咖啡環(b)。隨著溶質濃度的上升,就會抑制咖啡環的形成。酒精濃度上升降低單分子層塌陷的原因包括:

1. 在酒精濃度不斷上升的過程中,更多的化學物質會溶解,單分子層更具有流動性,減少瞭發生的塌陷的可能;

2. 高濃度的酒精降低瞭水的表面積,一旦酒精揮發,就會降低剩餘的溶液上的單分子層的塌陷概率;

3. 之前對威士忌酒中的化學活性的研究表明,團聚體濃度越高,揮發性越低。以上說明瞭能夠形成whiskey web需要特定的化學組成和酒精濃度。

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下圖表明每種同源物都會以一種特有的方式影響形成的whiskey web的結構。但預測威士忌中的同源物是怎麼影響單分子層塌陷的還具有一定的難度。化學均勻單分子層膜的坍塌行為與非均勻單分子層膜的響應不相關。目前仍需大量的實驗來確定同源物的特定組合對單分子層形成和坍塌過程的影響。也許再多喝一點就會有奇思妙想瞭呢。

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最後作者將所測試的威士忌液滴蒸發所形成的圖像進行分析。他們將顯微鏡觀察到的圖像利用徑向濾波器轉換為二值圖像,便於今後利用人工智能開發出識圖辨酒的程序。

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