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有沒有不破的泡沫

吹肥皂泡大概是多數小朋友喜歡的活動。本來是無色的液體,吹成泡沫就變得五顏六色。有的很快就破了,有的卻可以「存活」很長時間,甚至掉到了頭上都不會立刻破開。這,是為什麼呢?有沒有辦法讓泡沫永遠不破呢?

水之所以形成泡泡,其中的「表面活性劑」居功至偉。表面活性劑是一類結構特別的分子,一頭喜歡水(稱為「親水端」),一頭喜歡空氣(叫做「疏水端」)。當我們吹出一個泡泡,構成泡泡的水膜就形成了兩個表面,外面與大氣相連,而裡面則與泡泡內的空氣相接。水中的表面活性劑會很快地跑到空氣和水的表 面上,親水端呆在水中,疏水端伸到空氣裡。在兩個表面上各自堆積了一層表面活性劑,就像兩層磚牆一樣。「磚牆」的中間,就是一層水。一個泡泡,就是由表面 活性劑組成的雙層「磚牆」夾著一層水組成。

跟普通磚牆不一樣的是,其中的水是流動的。所謂水往低處走,水膜中的水也不例外。流動的結果,泡泡頂端的水越來越少,下面的水越來越多,水膜就變得 上面薄下面厚,就像物理實驗的棱鏡一樣。而且,因為那兩層「磚牆」不堅固,很容易受到周圍空氣的擾動而改變厚度。當光線穿過這樣的一個「水棱鏡」,就被分解成各色的光,還會發生光學上的「干涉」現象,於是我們就看到了五顏六色的泡泡。

隨著泡泡上方水膜中的水逐漸流走,水膜越來越薄。這時候如果遇到一點擾動,水膜就破開了,泡泡也就「爆炸」了。

所以,要想泡泡「存活」得更久,一種方式就是讓膜中的水流得慢一些。水流的速度跟水的粘度密切相關。越粘的液體,就會流得越慢。增加粘度的物質叫做「增稠劑」。所以,在肥皂水中加入增稠劑之後,吹出的泡泡就能存活得更久

另一種則是讓兩層「磚牆」更加堅固,不容易破裂。一般的表面活性劑是小分子,到了水和空氣的表面也是「有組織,無紀律」,一盤散沙,所以容易破裂。如果是一些大分子,比如蛋白質也具有親水和疏水的部位,也可以跑到表面上。到了表面之後,不同分子之間還會「手拉手、肩並肩」,形成堅固地城牆。受到 外界的擾動,也可以互相支援,從而不容易破裂。

不過,蛋白質分子個頭太大,從水中跑到表面上的速度比較慢。如果用蛋白質水來吹泡泡的話,還等不及蛋白質分子們跑到表面上形成「分子牆」,泡泡就已經破了。

雖然這樣的蛋白質水溶液用來吹泡泡不是個好主意,它們在飲料中卻可以大顯身手。有一種咖啡叫「卡布其諾」,表面上有一層泡沫。這層泡沫需要在相當長的時間內——至少在喝完的這段時間裡——保持著潔白細膩的外觀,所以表面活性劑產生的那種大而短命的泡沫就派不上用場。實際上用的是牛奶,其中的牛奶蛋白 具有很好的表面活性。當高溫的水蒸氣通入牛奶中,就產生了細密的泡泡。牛奶蛋白的分子在高溫下伸展開來,到了空氣和水的表面上,更容易互相連接起來,形成穩定的「城牆」,使得泡泡很難破裂。

比卡布其諾的泡沫更加穩定的是打發奶油。打發奶油是用奶油形成的泡沫。只是因為泡泡太細小,憑肉眼難以看出它跟通常的泡沫有相似之處。除了其中的蛋 白質可以形成穩定的「磚牆」外,奶油中的水含量很低,液體的粘度很大。被打發起來之後,「牆」中的水流動極為緩慢,過了很長的時間水膜還是那麼厚。此外, 奶油中有大量的脂肪顆粒,在「打發」過程中,這些顆粒接觸的地方互相融合 ,形成了像糖葫蘆那樣的連接狀態;而且一個接一個,形成了「糖葫蘆網」,把產生的泡泡固定在其中,就更增加了不同的泡泡接觸融合的難度。一方面是泡泡被隔開難以變薄,另一方面是水膜兩側的「牆」非常穩固,所以奶油的泡沫比起卡布其諾的泡沫來,簡直可以用「長壽」來形容。

跟打發奶油相比,冰淇淋更是登峰造極。除了奶油中的泡泡難以破裂的那些因素,冰淇淋在攪拌降溫的過程中還會形成大量的小冰粒。這些冰渣也有助於把泡 泡和脂肪可以「支撐起來」,不許它們互相靠近,所以也就可以存活下去。不過,冰淇淋的這種「長壽」狀態只能在冷凍條件下存在。一旦溫度升高,冰粒融化,形成「糖葫蘆網」的脂肪顆粒也會徹底融合,就無法再凍回去了。明白了這些過程,也就不難理解為什麼冰淇淋一旦化了,再凍上之後口感也完全不同。

所有液體的泡沫都注定要破滅,除非它們在破滅之前被「固化」下來。在食物中,最經典的例子是蛋糕。蛋糕的「蜂窩」來自於雞蛋白形成的泡沫。這樣的泡沫被混合到蛋糕的其他原料中,然後送入烤爐。泡沫水膜中的液體往下流,周圍的溫度迅速升高。雞蛋白有個很特別的地方,是極為怕熱——達到六十多度,它們就頂不住「化作了山脈」。在烤蛋糕的時候,蛋白泡沫中的水還來不及流下,就已經隨著蛋白變成了固體,永遠失去了流動的能力。

有很多其他的蛋白質也可以產生很好的泡沫。但常見的食用蛋白中,沒有哪種可以像雞蛋白(或者鴨蛋鵝蛋等各種鳥蛋的蛋白),在很低的溫度下就會固化。 其他的蛋白產生了很好的泡沫,送進去了烤爐,卻極為頑強——泡泡們都已經四零八落,它們卻還沒有變成固體,也就無法支撐起蛋糕的綿軟結構。所以,那些「無蛋蛋糕」,只能通過加入其他成膠的成分,讓泡沫們在覆滅之前,變成固體而永垂不朽。

轉載自 科學松鼠會,作者:

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科學松鼠會

科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀