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讓水滴能漂浮在水面上?你也能試試看的漂浮液滴魔法!

valerie hung
・2017/11/23 ・1543字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

你曾在某次把冰牛奶倒入熱咖啡或熱紅茶,發現漂浮在水面上,莫名不肯溶為一體的小水珠嗎?這種自然現象名為「非黏合(noncoalescence)」,也能在下雨的池塘、浪花拍打的海面與你家浴缸裡觀察到。

你曾注意過冰奶油球滴入熱咖啡時,會有片刻漂浮在咖啡表面上嗎(圖片來源:MIT 研究團隊)

過去科學界已發現溫度差、黏度(viscosity)、表面張力、液滴落下的高度、靜電荷與液滴的大小等,都會影響漂浮液滴的形成與持續時間。但由麻省理工學院(MIT)機械工程博士生米琪拉.傑瑞(Michela Geri)領導的團隊不但找到漂浮液滴發生的關鍵因素,還發現了如何操控過程的方法,讀完後快來跟泛科學編輯群一起玩玩看吧!(v編和y編已經試過了!還一起喝了咖啡!)

圖片來源:How to levitate a droplet on a liquid surface

根據 MIT 團隊發表在 2017 年第 833 期的《流體力學研究期刊》(Journal of Fluid Mechanics)的研究結果,簡單來說,如果落下的液滴溫度夠冰,而被滴入的液體夠熱,則這其中的溫度差就可能創造出暫時漂浮在液體上的液滴。

這個研究的開端,源自 MIT 數學系應用數學教授約翰.布希(John Bush)在博士班課程「界面現象(interfacial phenomena)」向學生提問:「為什麼溫度差對水液滴黏合有影響?」,正好選修了這堂課的傑瑞決定接下挑戰。

首先為了進行實驗,傑瑞打造一個約 Espresso 咖啡杯大小,四面為壓克力、底為金屬的小方盒。這個小盒子裝著矽油(silicone oil)並放置在冷熱板測試儀( hot/cold plate)上,更上方有一個注射器,用來滴入與方盒中相同黏度的矽油。

傑瑞除了透過冷熱板測試儀調整溫度,逐一測量滴下的油滴溫度與盒子內矽油表面的溫度外,也研究不同黏度矽油的影響(從稀如清水到水的 500 倍濃稠度)。她同時運用高速攝影機,以每秒 2000 幀的速度記錄矽油從滴下到徹底溶入盒中矽油的過程。

結果,當液滴與液體的溫度差異越大,越容易形成非黏合現象。當兩者的溫度相差達攝氏 30 度時,傑瑞能讓液滴維持至少十秒的非黏合現象。她進一步發現了讓液滴形成的最小溫度差,以及雙方起始的溫度差如何影響漂浮液滴維持的時間。

溫度差創造的神奇空氣魔毯!

研究團隊特別透過數學公式,解析液滴與液體之間的空氣在現象中扮演著什麼樣的角色。他們發現,液滴與液體的溫度差,會對夾雜在兩者中間的空氣層產生影響,進而防止液滴被液體接觸與吸收。

原來,溫度差導致空氣層產生對流循環。當起始溫差越大,空氣流動也會變強,當氣流循環產生的力道強到足以支撐液滴的重量,就成了讓液滴漂浮的神奇魔毯啦!

同時溫度差也讓液滴內部產生一股吸收液體熱能的流動,所以隨著時間過去,液滴的溫度會越來越接近液體,當兩者的溫度差異逐漸消弭,液滴最終就「咚」地落入液體之中。

本研究成果不但可以應用在醫藥用及美妝用的乳狀液研究,也能幫助工程師改良微流體晶片(microfluidic chip)的設計,例如讓晶片內帶著特定成分的液滴,在抵達特定的區域,達到某個特定的溫度時,才會進行溶合。

「根據我們(建構的數學模型)理論,工程界能找到保持兩顆液滴互不溶合的溫度差,以及如果用這些液滴建造出的軸承,其所維持的最大重量為何。」傑瑞指出

而研究共同作者之一布希也表示,既然液滴從懸浮狀態到溶入液體的秘密被解開了,未來科學家就有機會進一步根據溫度的變化,了解雨滴或海水是如何透過液滴傳播與混合特定的化學與生物介質。

原始論文:

  • Michela Geri, Bavand Keshavarz, Gareth H. McKinley and John W. M. Bush. Thermal delay of drop coalescence, Journal of Fluid Mechanics. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.686 Published online: 08 November 2017

參考資料:


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相關標籤: 非黏合
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valerie hung
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興趣多多,書籍雜食者,喜歡問為什麼,偶爾也愛動手嘗試。


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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。