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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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有没有不破的泡沫  

2012-12-19 07:01:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:云无心

吹肥皂泡大概是多数小朋友喜欢的活动。本来是无色的液体,吹成泡沫就变得五颜六色。有的很快就破了,有的却可以“存活”很长时间,甚至掉到了头上都不会立刻破开。这,是为什么呢?有没有办法让泡沫永远不破呢?

水之所以形成泡泡,其中的“表面活性剂”居功至伟。表面活性剂是一类结构特别的分子,一头喜欢水(称为“亲水头”),一头喜欢空气(叫做“疏水尾”)。当我们吹出一个泡泡,构成泡泡的水膜就形成了两个表面,外面与大气相连,而里面则与泡泡内的空气相接。水中的表面活性剂会很快地跑到空气和水的表面上,亲水头呆在水中,疏水尾伸到空气里。在两个表面上各自堆积了一层表面活性剂,就象两层砖墙一样。“砖墙”的中间,就是一层水。一个泡泡,就是由表面活性剂组成的双层“砖墙”夹着一层水组成。

跟普通砖墙不一样的是,其中的水是流动的。所谓水往低处走,水膜中的水也不例外。流动的结果,泡泡顶端的水越来越少,下面的水越来越多,水膜就变得上面薄下面厚,就象物理实验的棱镜一样。而且,因为那两层“砖墙”不坚固,很容易受到周围空气的扰动而改变厚度。当光线穿过这样的一个“水棱镜”,就被分解成各色的光,还会发生光学上的“干涉”现象,于是我们就看到了五颜六色的泡泡。

随着泡泡上方水膜中的水逐渐流走,水膜越来越薄。这时候如果遇到一点扰动,水膜就破开了,泡泡也就“爆炸”了。

所以,要想泡泡“存活”得更久,第一种思路就是让膜中的水流得慢一些。水流的速度跟水的粘度密切相关。越粘的液体,就会流得越慢。增加粘度的物质叫做“增稠剂”。所以,在肥皂水中加入增稠剂之后,吹出的泡泡就能存活得更久。

另一种思路是让两层“砖墙”更加坚固,不容易破裂。一般的表面活性剂是小分子,到了水和空气的表面也是“有组织,无纪律”,一盘散沙,所以容易破裂。如果是一些大分子,比如蛋白质也具有亲水和疏水的部位,也可以跑到表面上。到了表面之后,不同分子之间还会“手拉手、肩并肩”,形成坚固地城墙。受到外界的扰动,也可以互相支援,从而不容易破裂。

不过,蛋白质分子个头太大,从水中跑到表面上的速度比较慢。如果用蛋白质水来吹泡泡的话,还等不及蛋白质分子们跑到表面上形成“分子墙”,泡泡就已经破了。

虽然这样的蛋白质水溶液用来吹泡泡不是个好主意,它们在饮料中却可以大显身手。有一种咖啡叫“卡布其诺”,表面上有一层泡沫。这层泡沫需要在相当长的时间内——至少在喝完的这段时间里——保持着洁白细腻的外观,所以表面活性剂产生的那种大而短命的泡沫就派不上用场。实际上用的是牛奶,其中的牛奶蛋白具有很好的表面活性。当高温的水蒸气通入牛奶中,就产生了细密的泡泡。牛奶蛋白的分子在高温下伸展开来,到了空气和水的表面上,更容易互相连接起来,形成稳定的“城墙”,使得泡泡很难破裂。

比卡布其诺的泡沫更加稳定的是打发奶油。打发奶油是用奶油形成的泡沫。只是因为泡泡太细小,凭肉眼难以看出它跟通常的泡沫有相似之处。除了其中的蛋白质可以形成稳定的“砖墙”外,奶油中的水含量很低,液体的粘度很大。被打发起来之后,“墙”中的水流动极为缓慢,过了很长的时间水膜还是那么厚。此外,奶油中有大量的脂肪颗粒,在“打发”过程中,这些颗粒接触的地方互相融合 ,形成了象糖葫芦那样的连接状态。而且一个接一个,形成了“糖葫芦网”,把产生的泡泡固定在其中,就更增加了不同的泡泡接触融合的难度。一方面是泡泡被隔开难以变薄,另一方面是水膜两侧的“墙”非常稳固,所以奶油的泡沫比起卡布其诺的泡沫来,简直可以用“寿星”来形容。

跟打发奶油相比,冰激凌更是登峰造极。除了奶油中的泡泡难以破裂的那些因素,冰激凌在搅拌降温的过程中还会形成大量的小冰粒。这些冰渣也有助于把泡泡和脂肪可以“支撑起来”,不许它们互相靠近,所以也就可以存活下去。不过,冰激凌的这种“长寿”状态只能在冷冻条件下存在。一旦温度升高,冰粒融化,形成“糖葫芦网”的脂肪颗粒也会彻底融合,就无法再冻回去了。明白了这些过程,也就不难理解:冰激凌一旦化了,再冻上之后口感也完全不同。

所有液体的泡沫都注定要破灭,除非它们在破灭之前被“固化”下来。在食物中,最经典的例子是蛋糕。蛋糕的“蜂窝”来自于鸡蛋白形成的泡沫。这样的泡沫被混合到蛋糕的其他原料中,然后送入烤炉。泡沫水膜中的液体往下流,周围的温度迅速升高。鸡蛋白有个很特别的地方,是极为怕热——达到六十多度,它们就顶不住“化作了山脉”。在烤蛋糕的时候,蛋白泡沫中的水还来不及流下,就已经随着蛋白变成了固体,永远失去了流动的能力。

有很多其他的蛋白质也可以产生很好的泡沫。但常见的食用蛋白中,没有哪种可以象鸡蛋白(或者鸭蛋鹅蛋等各种鸟蛋的蛋白),在很低的温度下就会固化。其他的蛋白产生了很好的泡沫,送进去了烤炉,却极为顽强——泡泡们都已经四零八落,它们却还没有变成固体,也就无法支撑起蛋糕的绵软结构。所以,那些“无蛋蛋糕”,只能通过加入其他成胶的成分,让泡沫们在覆灭之前,变成固体而永垂不朽。

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