1700545799
1700545800
那东西其实是名叫“气凝胶”的物质。我完全误解那则新闻了。美国国家航空航天局不是在采集气凝胶,而是用气凝胶来采集星尘。我没再多想,而是赶紧上网搜寻气凝胶的信息和历史。我发现气凝胶不是来自外太空,但它背后的故事还是奇特得很。气凝胶是20世纪30年代发明的,发明人是名叫契史特勒(Samuel Kistler)的美国人。契史特勒原想研究农学,后来却变成化学家,他发明气凝胶纯粹出于对果冻的兴趣。果冻?
1700545801
1700545802
契史特勒问:果冻是什么?他知道果冻不是液体,但也不算固体,因此他认为果冻是困在固体里的液体,但这个固体监狱的铁栅是细到看不见的网格。食用胶的网格是由长串的明胶分子组成,主要成分为胶原蛋白。绝大多数的结缔组织都由胶原蛋白构成,像是腱、皮肤和软骨。明胶分子入水后会先分解再连成网状,把液体锁住让它无法流动。因此,果冻基本上就像灌了水的气球,只不过它并非靠外层的薄膜把水困住,而是从里面让水不能流动。
1700545803
1700545804
果冻网格内的水分子是由表面张力拉住的。水会润湿其他物体,形成水滴和附着在其他东西上,都是表面张力的作用。果冻网格内的表面张力强度刚好,既让水无法挣脱,又可以晃动,所以果冻才会那么柔软又有弹性,有那么奇特的口感。
1700545805
1700545806
果冻几乎百分之百是水,熔点为35℃,因此一放入口中,明胶网格就会瓦解,让水迸射而出。果冻是困在固体网格内的液体,这解释虽然简单,但契史特勒还不满意。他想知道果冻内看不见的明胶网格是不是一个整体,也就是网格是不是一个共聚而独立的内在框架?如果把液体移走了,网格是不是依然存在?
1700545807
1700545808
为了回答这个问题,契史特勒做了一系列实验,并于1931年把结果投给《自然》科学期刊(3211号,卷127,741页),标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》。他开头就写:
1700545809
1700545810
“果冻内液体的连续性展现在扩散、脱水及超滤,而且可由其他性质不同的液体替换,清楚表示胶体结构和内部的液体可能是互相独立的。”
1700545811
1700545812
契史特勒开头这段话的意思是,实验显示果冻内的液体是连成一体的,而非分成小块,而且可以替换成其他液体。他认为这表示果冻内的固体结构可能和液体是互相独立的。
1700545813
1700545814
此外,他用涵盖范围更广的“胶体”一词取代果冻,表示所有类似胶体的物质都有这个特性,从非常接近固体的物质到非常接近液体的物质都是如此,发胶、鸡高汤和凝固中的水泥(网格由硅酸钙原纤维组成)无一例外。
1700545815
1700545816
契史特勒接着指出,目前还没有人能把胶体内的液体和固体结构分离。“之前有人透过蒸发去除胶体内的液体,但由于胶体缩得太厉害,使得固体结构也大受损害。”换句话说,之前的人想用蒸发去除胶体内的液体,结果内部固体结构直接塌了。契史特勒骄傲地说,他和合作伙伴已经找到了解决之道:
1700545817
1700545818
“我和能利德(Charles Learned)先生认为,胶体内的液体可用气体代换,并且在麦克班(J.W. McBain)教授的慷慨协助及建议下,做了实验来检验我们的假说,结果大获成功。”
1700545819
1700545820
这个做法的高明之处在于保留胶体内的液体,然后用气体去代换,借由气体的压力支撑住固体结构,使它不至于崩塌。不过,契史特勒和能利德首先用液态溶剂(他们用的是酒精)来取代水,因为液态溶剂比较好操控,但坏处是它也会蒸发。不过,契史特勒和能利德找到了解决方法:
1700545821
1700545822
“蒸发一定会导致胶体萎缩。但只要把胶体放到高压釜里,注入该液体并把温度提高到液体的临界温度之上,压力维持在蒸汽压以上,就能阻止液体蒸发,而胶体也不会因为表面毛细力而收缩。”
1700545823
1700545824
高压釜其实就是能加热的高压槽。釜内只要压力够大,胶体内的液体就算超过沸点也不会蒸发。至于契史特勒提到的毛细力,则来自液体的表面张力。契史特勒认为当液体因蒸发而流失,原本支撑住胶体的毛细力反而会把胶体撕裂。
1700545825
1700545826
但只要把胶体的温度提高到所谓的“临界温度”之上,使气体和液体的密度及结构相同,两者不再有任何区别,胶体内的液体就会直接变成气体,而不受蒸发的过程破坏。契史特勒写道:
1700545827
1700545828
“液体超过临界温度就会直接变为永久气体,中途没有断续。胶体不会‘知道’它里面的液体已经变成气体了。”
1700545829
1700545830
这个做法实在太天才了。胶体内新形成的气体受制于釜里的高压而无法挣脱,使得胶体内的固体结构得以维持。
1700545831
1700545832
“剩下要做的只是让气体散逸,留下体积不变的共聚气凝胶。”
1700545833
1700545834
直到这时,契史特勒才让气体慢慢散逸,完整保留了胶体内的固体结构,且骨架结构完全不变,从而证实了他的假说。那一刻肯定非常令人满足。但契史特勒还不肯罢手。胶体的固体结构非常轻盈、脆弱,大部分由空气组成,其实它就是泡沫。契史特勒心想,若胶体不是由明胶构成,而是更坚固的物质,固体结构或许就会更强韧。于是他选择了玻璃的主要成分,制造出了以二氧化硅为固体结构的胶体,接着再按先前的程序去除胶体中的液体,制造出了世界上最轻的固体:二氧化硅气凝胶。那年我在沙漠实验室里惊鸿一瞥的东西就是它。
1700545835
1700545836
1700545837
1700545838
1700545839
胶体的内部结构
1700545840
1700545841
契史特勒仍不满足,又做了其他的气凝胶,并列在投稿的论文里:
1700545842
1700545843
“我们已经做出了二氧化硅、氧化铝、酒石酸镍、氧化锡、明胶、琼脂、三氧化钨、硝化纤维、纤维素和卵白蛋白的气凝胶,而且这个名单似乎还能无限制扩展下去,没有做不到的理由。”
1700545844
1700545845
契史特勒虽然成功做出二氧化硅气凝胶,却还是忍不住做了卵白蛋白(也就是蛋白)气凝胶。因此,其他人是用蛋白制作蓬松的煎蛋卷和烤蛋糕,契史特勒则是另起炉灶,用高压釜制作蛋白气凝胶,做出全世界最轻的蛋白霜。
1700545846
1700545847
1700545848
[
上一页 ]
[ :1.700545799e+09 ]
[
下一页 ]