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無阻力的超流體! Superfluid helium

Scimage
・2011/04/06 ・452字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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

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為什麼愛玉籽洗一洗就會「結凍」?——從國民美食到生醫材料
研之有物│中央研究院_96
・2022/02/23 ・4906字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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。

  • 採訪撰文│黃品維
  • 美術設計│林洵安

愛玉結膠過程的黏彈性變化

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!

你知道為什麼愛玉籽洗一洗就會變成愛玉凍嗎?圖/維基百科

愛玉:從街頭到實驗室

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!

愛玉如何膠化變成愛玉凍?

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:

圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

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」。

從流變學分析愛玉膠化的過程

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。

材料有彈性,也有黏性,愛玉同時具備兩個特性。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中,雖然固體的「彈性」變得越來越明顯,但仍然保有流體的「黏性」。圖/研之有物

如何量測愛玉的黏彈性?

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。

左為杯狀容器與量具;右為 OWCh 的模擬疊加波,此形變訊號 γ 將輸入儀器中進行量測。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

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。」

愛玉膠化過程的神秘轉折!

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。

上圖為愛玉在結膠時的黏彈性變化,黑線 G’ 和紅線 G” 交會的點為膠化點,此刻為膠化時間(tgel),代表愛玉的固體與液體特性相同。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

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。

在原本的理論預測中,鈣離子與 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA] 會隨著時間穩定上升。但實際上,愛玉卻沒有穩定的固化。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

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。

顯微鏡下的愛玉長什麼樣子?

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)。

縱向的虛線即為選定的時間點,分別為膠化點(A)、拐點(B),以及愛玉膠體趨於穩定的時間點(C)。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

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!

樣品是在選定時間點之前冷凍製備,顯微鏡下的觀測結果,可以看到愛玉高分子網絡隨著膠凝化越來越緻密。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

破解愛玉的膠化密碼

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。」

有了理論模型可以做什麼?平民美食大變身!

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!

延伸閱讀:

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研之有物│中央研究院_96
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「超流體」是什麼酷東西?為何它可以逃離容器?:千變萬化的流體(二)
ntucase_96
・2021/12/05 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

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。

圖一、逃離容器的超流體。裝在容器內的超流體(液態氦),會沿著容器壁向上爬升、超過容器口,最後在容器外匯聚、滴落,直到所有的液態氦全數「逃離」。圖片來源:Alfred Leitner

超流體是什麼?

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。

有縮骨功的超流體?

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。

反重力的超流體?

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。

圖二、不同流體附著力影響示意圖。一般流體,如圖 (a) 中的水,由於黏滯力較大(如同攀岩者負重較重),只能爬升到有限的高度;超流體由於不具有黏滯性,分子間互不影響,可以如圖 (b) 般沿著容器壁爬升、甚至跑到容器外。

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。

註解

[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」。

參考資料:

[1] Superfluidity
[2] Pyotr Kapitsa Biographical
[3] The Strange, Frictionless World of Superfluids

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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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中子星核心中有超流體
peregrine
・2011/03/22 ・1252字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

圖片引用自原文

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

peregrine
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