揭秘一滴威士忌中隱藏的科學(xué)

珍妮佛·庫(kù)爾利特+彭舉云

兩年前，一位攝影記者與普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家合作研究一滴威士忌干燥后留下的一個(gè)個(gè)形狀非常一致的環(huán)形圖案。如今，那些物理學(xué)家已經(jīng)在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

攝影師厄尼·巴頓受妻子喜愛(ài)威士忌的啟發(fā)，開(kāi)始拍攝各種威士忌樣品——值得注意的是，酒蒸發(fā)后在玻璃杯底部形成的圖案錯(cuò)綜復(fù)雜，令人迷惑。他用不同顏色的光來(lái)突顯這些圖案。一段時(shí)間后，他發(fā)現(xiàn)只有某些威士忌會(huì)留下那些表明跡象的環(huán)形圖案（陳年威士忌、美國(guó)或愛(ài)爾蘭威士忌）。于是他聯(lián)系了普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家霍華德·司頓，調(diào)查這種現(xiàn)象為什么會(huì)發(fā)生。

你可能注意過(guò)那些馬虎的客人忘記用杯墊時(shí)在你的咖啡桌上留下的不均勻的污漬。這就是所謂的“咖啡環(huán)效應(yīng)”：當(dāng)一滴液體蒸發(fā)，液體之前溶解過(guò)的顆粒物質(zhì)會(huì)留下一個(gè)環(huán)形圖案。若是咖啡，之前溶解的顆粒物便是咖啡渣。環(huán)形圖案的形成是因?yàn)橐后w的邊緣比中心蒸發(fā)更快。于是，在中心的剩余液體將向外流動(dòng)到邊緣，以填補(bǔ)空白，拖動(dòng)如咖啡渣一樣的顆粒隨著它移動(dòng)。

威士忌是一種所謂的“二元液體”，它大約有60%的水和40%的乙醇?？茖W(xué)家已經(jīng)知曉，將水和酒精混合可以減少咖啡環(huán)效應(yīng)，但這通常只對(duì)很小的液滴才起作用。

威士忌不同，巴頓的照片顯示，你可以從更大的威士忌酒滴中得到均勻的痕跡。咖啡環(huán)邊緣的顏色比中間深，而威士忌在玻璃杯底部干燥后形成復(fù)雜的脊?fàn)顖D形。

司頓和他的同事進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有兩種分子在這里起作用：一種是表面活性劑，另一種屬于聚合物，使顆粒吸附在表面而不是隨著液體流動(dòng)。正如邁克爾·斯格博指出的物理重點(diǎn)：

當(dāng)一滴液體蒸發(fā)，表面活性劑就聚集到邊緣，形成一個(gè)張力梯度，將液體向內(nèi)拉動(dòng)（所謂的馬朗戈尼效應(yīng)）。此外，植物衍生的聚合物沾到玻璃杯上，促使顆粒物通向底層，使其緊貼底層。為了證實(shí)這一描述，研究人員表明，缺乏任何聚合物或表面活性劑的威士忌樣的液體沒(méi)有產(chǎn)生均勻的痕跡。

“酒淚”現(xiàn)象的背后也有馬朗戈尼效應(yīng)——靠近玻璃杯頂部，即酒的表面以上，形成一個(gè)透明液體環(huán)。

司頓的研究小組在2014年物理學(xué)會(huì)議上匯報(bào)了他們的初步研究成果，“但我們花了不少時(shí)間來(lái)完成詳細(xì)的測(cè)量、編寫(xiě)及出版報(bào)告并保證它通過(guò)審查”。司頓承認(rèn)，他們不能夠識(shí)別威士忌里與這些表面活性劑和聚合物效應(yīng)相關(guān)的確切成分——威士忌的化學(xué)成分是相當(dāng)復(fù)雜的——但他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些可疑成分。

有一些對(duì)這項(xiàng)功能的實(shí)際應(yīng)用，即提高應(yīng)用于各種工業(yè)的涂層均勻性，如3D 打印機(jī)。它使用的是一種被稱(chēng)為液體沉積的技術(shù)，用于打印過(guò)程中層層堆積。

“我們弄清了使顆粒物達(dá)到近乎均勻涂層的最小成分。”司頓說(shuō)。也就是說(shuō)，在用于涂料的混合物中要使用盡可能少的成分。

通常，科學(xué)和藝術(shù)在共生關(guān)系上的結(jié)合是個(gè)迷人的例子，各方從互動(dòng)中均有所獲。對(duì)司頓和他的同事來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)耐人尋味的科學(xué)問(wèn)題，結(jié)果帶來(lái)最近發(fā)表的論文。巴頓學(xué)到了一點(diǎn)有用的科學(xué)知識(shí)，拍出了一些真正觸人眼目的照片，從中你可以查出威士忌啟發(fā)的整個(gè)系列。