當用湯匙攪動咖啡的時候，可以看到咖啡隨著湯匙周圍流動。在描述液體運動上，液體總有一層吸附在固體上，然後吸附在表面上的液體分子一個拉著一個外圍分子，把湯匙傳來的動量由表面傳出去；這種一個拉一個的強度就是所謂的黏度。
那如果黏度消失了，液體會變成什麼模樣呢？其實這樣的液體很久以前就被發現了，稱為超流體。這影片就是介紹，當冷卻氦到一定程度的時候，就會讓液態氦變成超流體。一開始瓶中的液態氦不停蒸發變成氣泡，一邊蒸發、一邊也帶走熱量，而讓剩下的液體變得更冷，然後冷卻到一定的程度，液態氦就整個安靜下來，變成超流體。
這時候有非常好的導熱性，也失去黏性。因為沒有黏度，所以當可以吸附表面的時候，這些超流體就一點都沒有阻礙的爬上表面(不需要帶著其他的分子拖油瓶)，所以裝到一個燒杯裡, 這種沒有黏度的液體就會自己跑出來，如果給個管子揷到這種液體裡，在合適的條件下，這種液體就會自己變成噴泉從管子跳出來。
本文原發表於科學影像Scimage
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。
甜品中常見的愛玉，其實是非常有趣的生物材料，它並不需要加熱、也不需要額外的添加物，就可以在室溫底下凝結成膠，變成愛玉凍。中央研究院物理研究所陳彥龍研究員，分析愛玉在凝膠過程黏性與彈性的改變，最後建立數學模型，預測愛玉結膠現象。未來，愛玉將有望取代藻膠（alginate），用於人造植物肉的口感調整，或是作為輸送藥物的微顆粒成分。現在先讓我們一起來看有趣的愛玉研究吧！
愛玉為臺灣人的平民美食，檸檬愛玉、愛玉粉圓、愛玉芒果冰……QQ 彈彈好吃到咩噗的愛玉，是許多人喝手搖時最愛的配料，也是炎熱夏天的消暑聖品。
我們從小吃到大的愛玉，學名叫 Ficus Pumila var. Awkeotsang，它跟洋菜凍、石花凍等膠體食物很不一樣，在製作過程中，愛玉並不需要經過烹煮、也不需要加入其他添加物，就能在室溫下產生膠化反應，形成愛玉凍。
可惜的是，愛玉在學術上並未有太多深入的探討。中研院物理所陳彥龍研究員，主要從事高分子流體與非線性流體的研究，他一直以來對膠體非常有興趣。這一次他鎖定了愛玉，與美國麻省理工學院（MIT）合作，希望從流變學的角度切入，探究愛玉膠化的秘密！
首先，我們要先簡單了解一下，愛玉為什麼可以在室溫下結膠？
大家如果有製作過愛玉的話，應該都會記得一開始的步驟：我們要先把愛玉籽裝進紗布袋裡面，並在水中不斷地搓揉，靜置一段時間後，才能讓愛玉慢慢形成。這個「洗愛玉」的動作，其實就是將愛玉籽中的高分子、酵素、金屬離子等物質，析出到水溶液裡面，形成愛玉萃取液。
而在萃取液中，最主要的成分之一，就是聚半乳醣醛酸（poly galacturonic acid，簡稱 PGA）。PGA 是一種長鏈的高分子，也是讓愛玉凝結成膠的重要成分，它在水溶液中會發生三階段的化學反應：
愛玉萃取液中，鈣離子會與長鏈的 PGA 形成交聯，而多個交聯會緊密排列，成為更穩定的連結區。隨著連結區愈來愈多，愛玉也就變成愛玉凍了！詳細如下：
第一階段（I），PGA 分子的 R-COOCH3（甲氧基），會被愛玉獨有的愛玉果膠酶（pectin methylesterase enzyme）活化變成 R-COOH（羧基），兩個 R-COO– 和鈣離子會形成暫時性的交聯（crosslink）。
第二階段（II），當萃取液中的鈣離子搭起一座又一座橋樑，連續的交聯將兩段 PGA 鏈結在一起，開始形成點狀交聯（point-like crosslinks，PC）或較短的連結區（Short Junction Zones，SJZ）。
第三階段（III），隨著越來越多鈣離子與 PGA 鍵結，交聯一個接著一個排列，形成長串的連結區（Junction Zone，JZ）。連結區是非常穩定的結構，它就像拉鍊一樣，把兩段 PGA 牢牢地嵌在一起，此時愛玉也慢慢出現固體特性，變成了「愛玉凍」。
身為物理學家，陳彥龍還想知道：愛玉在結膠過程中，物理性質又是怎麼改變呢？為了釐清這個問題，研究團隊從流變學（Rheology）的角度，分析愛玉結膠的現象。
所謂的「流變學」，是探討材料物理性質的一種方法，通常會測量材料的黏彈性（Viscoelasticity），很適合兼具固體與液體特性的軟物質（Soft matter）。
對固體來說，如果對材料施力的話，它的形狀會改變；當外力移除，它就會回復原本形狀。這就是固體的「彈性」（Elasticity），它會吸收讓形狀改變的能量，就像我們用湯匙碰一下布丁，布丁會回彈一樣。
另一方面，如果我們對液體施力，材料就會開始流動，在相同的施力下，不同流體會有各自的流速，例如攪動玉米濃湯和奶茶的黏稠度就不一樣，這代表不同流體有不一樣的「黏性」（Viscosity）。
有些物質同時具備「彈性」與「黏性」兩種特性，而愛玉就是其中一種。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中，雖然「彈性」變得越來越明顯，但仍然保有流體的「黏性」。這樣的愛玉，不是單純的固體、也不是單純的流體，所以需要透過流變學，探討愛玉的物理性質。
為了研究愛玉的黏彈性，研究團隊將愛玉萃取液裝進流變儀（rheometer）的杯狀容器內，再把圓筒狀量具（下圖）放入愛玉之中。這個量具由馬達驅動，會像陀螺一樣在愛玉裡面來回轉動，向愛玉施力。從愛玉反饋給儀器的力矩，我們就可以了解結膠過程中，愛玉的黏彈性變化。
一般來說，流變儀會使用固定的頻率（例如正弦波）旋轉量具，來蒐集物質對特定頻率的反應。不過，由於愛玉結膠的變化很快，這樣的量測方式追不上愛玉質變的速度。陳彥龍說道：「測量的過程中，愛玉材料性質就已經變了。」
為了解決這個問題，美國麻省理工學院 Gareth McKinley 教授與學生 Michela Geri 發明了Optimally-Windowed Chirps（OWCh）量測方式。OWCh 可以疊加不同頻率、不同振幅的形變波，再使用這個疊加波，對愛玉進行測試，最後從實驗結果，回推愛玉對不同頻率形變的力學反應。
陳彥龍表示「OWCh 測量物質對頻率反應的時間非常短，在愛玉演化的過程中，每一個時間點我都可以得到它對頻率的反應，擴充了之前實驗上做不到的量測。」
從流變儀的實驗結果，我們得知愛玉在結膠時的黏彈性變化，下圖黑線 G’ 代表愛玉的固體性質（彈性模數部分，storage modulus）、紅線 G” 代表愛玉的液體性質（黏性模數部分，loss modulus）。
可以看到，一開始液狀的愛玉幾乎沒有彈性，但過了一段時間後，彈性模數開始快速增加，甚至超過了黏性模數。兩條線交會的點為膠化點（gelation point），此刻為膠化時間（gelation time，tgel），代表愛玉的固體與液體特性相同。
在膠化點之後，愛玉的固體性質越來越明顯。最終，愛玉變成了愛玉凍，黏彈性的變化也漸漸趨於穩定。
不過，如果看仔細一點，會發現一個有趣的現象：膠化點之後，愛玉的黏性與彈性會先經歷小幅度趨緩，甚至下降，再轉折成穩定上升的趨勢，出現了拐點（inflection point）（上圖箭頭處）。
這就奇怪了！在陳彥龍一開始的理論預測中，鈣離子與 PGA 交聯的濃度（[Ca-PGA]），會隨著時間增加而穩定上升。照理說，愛玉應該也要穩定的固化才對。然而，不論是彈性還是黏性，都同時出現拐點，代表愛玉在膠化時，還有一些狀況沒被考慮到。
經過一番研究，陳彥龍推測，拐點的出現，可能是因為某些交聯「分離了」。我們前面有提到，成串的交聯會形成連結區（JZ），而 JZ 非常穩定，是愛玉膠體重要的結構支撐。但是，單獨的交聯、或是較短的連結區（SJZ），鍵結其實是很弱的。在形成 JZ 之前，這一些不穩定的交聯可能會先分離，導致交聯網路形成的速度變慢，才會在實驗中看到黏性與彈性出現拐點的現象。
另一方面，為了觀察凝膠過程的微觀結構，研究團隊使用冷凍電子顯微鏡 （Cryo-EM） ，觀察愛玉結膠時的變化。陳彥龍主要選定了三個時間點來觀測，分別是膠化點（A）、拐點（B），以及愛玉凍趨於穩定的時間點（C）。
從下圖可以看到，在接近膠化點前，圖片中間有一些白色細纖維（A），看起來是愛玉凍剛開始形成的狀態。至於周圍的其它孔洞，則可能是因為樣本急速冷凍，導致水結成冰晶所造成的空隙。
接著，拐點左右的時間點，我們看到愛玉開始形成網路結構（B）。隨著時間增加，結構變得越來越緻密，等到膠體進入穩定階段時，就形成了穩固的纖維網路（C），而愛玉也變成緻密的愛玉凍了！
陳彥龍團隊不僅從實驗了解愛玉物理特性，還發展理論預測愛玉膠化程度。簡單來說，只需要知道愛玉籽一開始的重量，以及環境的基本條件，就可以推算愛玉在不同時間點的彈性、黏性會如何變化。
首先團隊從化學反應動力學出發，算出愛玉萃取液中鈣離子和 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA]，也就是鈣離子搭了幾座橋。有了 [Ca-PGA]，就可以知道某個時間的愛玉彈性。原則上交聯越多，愛玉越有彈性。
不過，因為實驗發現愛玉黏彈性有轉折點，團隊進一步考慮短連結區（SJZ）和連結區（JZ）的數量密度，修正理論模型，貼近真實的膠化情況。
最後，研究團隊終於研擬出一個能夠預測愛玉膠化行為的數學模型。陳彥龍總結道：「這次主要的研究成果，就是探討愛玉結膠過程中黏彈性的改變，還有透過反應動力學的理論基礎，來預測愛玉膠化的過程。」
有了理論模型後，未來製作愛玉時，我們就不用依賴那雙洗愛玉籽的神之手，而是能更精準的掌握和控制愛玉的結膠品質。讓愛玉不僅可以單吃，還能成為食品業和生醫材料的幫手！
在食品科學方面，近年廠商開始嘗試用人造植物肉取代動物肉食材, 輔助環境永續與減少碳排放。這些植物肉，通常都會利用膠狀食材來調整口感，如果我們能夠精準地調整愛玉的硬度，或許也能讓愛玉成為植物肉的一部分。
在生醫材料的應用上，愛玉也可以參一腳。近幾年，很多研究討論藻膠在藥物輸送上的應用，將藥品包在含有藻膠的微膠囊內，控制藥物在體內釋放的時間。
藻膠的成分，與愛玉有很多類似的地方，陳彥龍期待地說：「如果用愛玉來做的話，是不是能夠達成類似的性質呢？」
另外，由於愛玉本身的果膠分子屬於弱電解質，有機會取代其他高分子液體的應用。目前，陳彥龍團隊正在跟其他實驗室合作，探討愛玉做為鋰電池的電解液，是否具有未來發展性。
下次當你吃著喜歡的愛玉時，大可不必思考背後複雜的流變學；不過要記得，愛玉不只是手搖杯的配料、也不只是臺灣美食，更是極具發展潛力的生物材料！
愛玉不只是愛玉，更是極具發展潛力的生物材料！
本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體（二）：超流體》
剛睡醒的早晨，沖泡好一杯香氣四溢的咖啡，加入鮮奶、糖攪拌後準備享用時，卻發現咖啡似乎還在不停的旋轉，沒有停下來的跡象。仔細看，還會發現咖啡竟然開始沿著杯壁向上攀爬、越過杯口，最後在杯子底部匯聚、滴落。很明顯，以上場景純屬虛構，咖啡可不會這樣。但大自然中卻有種流體有這樣的性質，那就是：超流體。
在上一篇文章＜千變萬化的流體（一）：一個做了 90 年的實驗＞中，我們介紹了流體的黏滯性。其中瀝青具有非常大的黏性，其流動十分緩慢，外在表現基本上和固體無異。黏滯性極小的一端，則存在著一種不具有任何黏滯性的流體，便是超流體。超流體具有許多神奇的性質，例如可以通過極微小的毛細管、將超流體放在容器中，它會沿著容器壁爬升，跑出容器外…等等。令人感到可惜的是，具有如此神奇性質的超流體，目前只有在極端低溫的條件下才能存在。
1937 年，科學家卡皮查與艾倫，在嘗試將氦-4這種元素冷卻到極低溫時，發現當溫度低於 2.17 K（−270.98°C）時，氦的性質突然發生改變[1]。在以下連結的影片中呈現了氦-4冷卻的過程。
我們可以發現當氦的溫度逐漸下降，氦突然從原本如沸騰般充滿氣泡的情況，突然「安靜」了下來，那時便是氦-4的溫度達到「臨界溫度」，發生根本性質的改變（物理上稱為「相變」），從一般流體轉變為超流體。
為什麼會出現這個景象？這裡我們要介紹超流體的第一個重要性質：「超流體內部不存在溫度差」[2]。這意味著，若是我們在超流體的一端加熱，溫度可以瞬間傳遞到超流體的另一端。這個性質在一般流體中可沒那麼常見，讓我們回想一下生活中最常見的流體之一：水。
當我們將一壺水，放在瓦斯爐上加熱時會看到水的熱對流現象：最靠近火源的水溫度上升最快，因為密度減小而上浮，旁邊溫度較低的冷水則往中央靠近，形成對流。對流愈是劇烈，整個流體便顯得愈不平靜。但若是我們加熱的是超流體，由於超流體的熱傳導率是無限大，因此熱源所釋放的熱量會在一瞬間傳遞到整個超流體中。由於內部沒有溫差，不會出現如熱水般的劇烈對流現象，顯得特別「安靜」。
這種特性顯示超流體分子的性質，就如同一個巨大的整體：若流體中有一個地方溫度改變，所有分子就要一起改變。這種性質來自於氦-4是一種「玻色子」。玻色子這種粒子在極低溫的情況下，會傾向於所有粒子都落回最低能量狀態（基態），這個現象被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。蘇聯物理學家朗道透過此理論，解釋了氦-4為何在極低溫下會形成超流體。
打個比喻，剛成年的少年們，每個人都有獨特的生活模式，但到成功嶺受訓時，便全部「凝聚」在一起，形成一個具有共同性質的集體。有趣的是，由於少年們都具有極為相似的性質，因此他們之間的「摩擦」（彼此之間的交互作用，也就是黏滯性）會大幅下降，形成獨特的超流體現象。
若是我們手邊有兩種流體，想要判斷哪一種可以通過一根細管子。我們的生活經驗告訴我們，愈黏的流體，愈不容易通過。黏性愈大的流體，代表它們分子之間的作用力愈大。打個比喻的話，可以說它們更愛「群聚」，若是要通過某一個孔洞，那就要讓大部分的分子一起通過才行。例如，固體可以想像成是一種黏性無限大的流體。想要讓一個硬幣通過吸管，那吸管勢必要比硬幣大才行。那黏滯性為零的超流體，會怎麼表現呢？它們的分子之間可以說「毫無感情」，因此只要細管的孔徑允許一個分子通過，那超流體就有辦法流過這根極細的管子。
超流體沿著容器壁爬升又是怎麼回事呢？若是我們將水裝在一根試管中，仔細觀察，可以發現管壁的水位比中央的水位來的高，這個稱為水的「附著力」，也就是容器壁對於水分子有個吸引力。那為什麼容器壁不會將水一直拉上去，而會停在某個位置呢？一方面是地心引力，另一方面是水分子之間「扯後腿」的黏滯力。水分子想要沿著杯壁向上爬，但黏滯性就如同他不是自己一個人爬，而是攜家帶眷外掛行李，因此爬到某一個高度就爬不動了（如圖二）。
這時讀者大概可以想到超流體是怎麼回事了。如特種部隊的超流體分子，它沿著容器壁攀爬只需要自己能爬上去就可以。最終的結果，便是超流體會在容器壁形成只有一個分子厚度的薄膜，將整個容器包裹起來。延伸到容器外的流體，在地心引力影響下便會匯聚在容器底端，向下低落，形成了超流體「逃出容器」的奇特現象。
在發現超流體現象之前，沒有人預期到物質在被降至極低溫後會表現出如此截然不同的性質。隨著科技的進步，人們逐漸有能力一探各種極端條件下物質的變化，相信還有非常多有趣的現象在等著我們。
[1] 除了氦-4以外，它的同位素氦-3也在更接近絕對溫度時（0.0026K）展現出了超流體的性質。
[2] 由於這個性質和超導體的「超導體內部不存在電位差」十分相近，因此得名「超流體」。
[1] Superfluidity
[2] Pyotr Kapitsa Biographical
[3] The Strange, Frictionless World of Superfluids
美國航太總署錢德拉X-射線觀測衛星(NASA`s Chandra X-ray Observatory)，於一顆中子星的核心中，業已首度發現超流體(superfluid：一種異乎尋常、無摩擦力的物質態)的直接證據。於地球上之實驗室中產生的超流體展現了異常屬性，諸如能向上攀升及從密閉容器中消失。就瞭解已知最高密度物質中的核交互作用(nuclear interactions)而言，上述發現具有諸多重要意涵。
中子星含有已知可觀測的最稠密物質。一茶匙的中子星物質重60億噸。這類恆星的核心壓力很高，以至於大部分的帶電粒子(電子及質子)結合，形成一顆幾乎由不帶電粒子組成，而被稱為中子星的恆星。
兩支獨立的研究團隊研究了一顆超新星的殘留物─仙后星座A(Cassipoeia A 或簡稱Cas A)。當從地球觀測時，這顯然是顆1萬1千光年外之巨大恆星，約在330年前爆炸的殘留物。錢德拉X-射線觀測衛星的數據發現，該超新星爆炸後殘餘之超稠密中子星的溫度迅速下降，顯示該中子星曾於十年期間冷卻約達4%。
於2011年2月25日版《物理評論記事》(Physical Review Letters)雜誌發表一篇論文的研究團隊領導人，墨西哥國立自治大學(the National Autonomous University in Mexico)的Dany Page宣稱：「雖然聽起來似乎不大，不過上述的溫度下降，事實上是引人矚目且令人訝異的。這意味，該中子星內部發生某種不尋常的事。」
含有帶電粒子的超流體也是超導體，意味超流體能起如同完美導電體的作用，因而絕不會喪失能量。上述新發現強烈暗示，該恆星核心中殘餘的質子處於超流體狀態，由於具有電荷，因而也形成超導體。
俄羅斯聖彼得堡loffe研究所的Peter Shterning是論文被英國《皇家天文協會通告月刊》(the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)採納的另一支研究團隊領導人，他宣稱：「錢德拉X-射線觀測衛星發現仙后星座A中子星迅速冷卻，是此類中子星核心事實上由超流體及超導物質組成的首度直接證據。」
這兩支團隊證實，上述溫度迅速冷卻起因於，該中子星在被發現前約100年內，核心中產生了中子超流體。預期冷卻會持續幾十年，而後減緩下來。
於地球上，物質在接近絕對零度的極低溫度下，開始發生超流動性。不過，於中子星內，能在接近攝氏10億度的溫度下出現超流動性。迄今，在估測此臨界溫度上，有著極大的不確定性。該項新研究將臨界溫度局限於攝氏5億到10億度間。
仙后星座A將使研究人員們得以驗證，束縛亞原子粒子的強核力(strong nuclear force)於超稠密物質中，如何起作用的模型。就瞭解中子星中，包括自轉突變(glitches)、中子星進動(precession：旋轉軸方位的改變)、磁星爆發(magnetar outbursts)及中子星磁場的演變等一系列變化而言，上述結果也是重要的。
被稱為自轉突變之中子星自旋速度的小幅突然改變，先前已提供了中子星外殼中有超流動性之中子的證據。由於中子星外殼密度比核心密度低很多，因而來自仙后星座A的最新訊息揭露了，有關該中子星超稠密之內部區域的新資訊。
冷卻的仙后星座A中子星是由來自加拿大阿爾伯塔大學(the University of Alberta, Canada)的合撰人Craig Heinke及來自英國南安普敦大學(the University of Southampton, UK)的Wnee Ho，於2010年首度發現的。該項研究是天文學家們首次測定一顆年幼中子星的冷卻速度。
原文網址：NASA’S Chandra Finds Superfluid in Neutron Star’s Core
翻譯：peregrine | 本文原發表於PEREGRINE科學點滴
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鄭國威 Portnoy
