揭秘一滴威士忌中隐藏的科学

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两年前，一位摄影记者与普林斯顿大学的物理学家合作研究一滴威士忌干燥后留下的一个个形状非常一致的环形图案。如今，那些物理学家已经在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

摄影师厄尼・巴顿受妻子喜爱威士忌的启发，开始拍摄各种威士忌样品――值得注意的是，酒蒸发后在玻璃杯底部形成的图案错综复杂，令人迷惑。他用不同颜色的光来突显这些图案。一段时间后，他发现只有某些威士忌会留下那些表明迹象的环形图案（陈年威士忌、美国或爱尔兰威士忌）。于是他联系了普林斯顿大学物理学家霍华德・司顿，调查这种现象为什么会发生。

你可能注意过那些马虎的客人忘记用杯垫时在你的咖啡桌上留下的不均匀的污渍。这就是所谓的“咖啡环效应”：当一滴液体蒸发，液体之前溶解过的颗粒物质会留下一个环形图案。若是咖啡，之前溶解的颗粒物便是咖啡渣。环形图案的形成是因为液体的边缘比中心蒸发更快。于是，在中心的剩余液体将向外流动到边缘，以填补空白，拖动如咖啡渣一样的颗粒随着它移动。

威士忌是一种所谓的“二元液体”，它大约有60%的水和40%的乙醇。科学家已经知晓，将水和酒精混合可以减少咖啡环效应，但这通常只对很小的液滴才起作用。

威士忌不同，巴顿的照片显示，你可以从更大的威士忌酒滴中得到均匀的痕迹。咖啡环边缘的颜色比中间深，而威士忌在玻璃杯底部干燥后形成复杂的脊状图形。

司顿和他的同事进行了多次实验，发现有两种分子在这里起作用：一种是表面活性剂，另一种属于聚合物，使颗粒吸附在表面而不是随着液体流动。正如迈克尔・斯格博指出的物理重点：

当一滴液体蒸发，表面活性剂就聚集到边缘，形成一个张力梯度，将液体向内拉动（所谓的马朗戈尼效应）。此外，植物衍生的聚合物沾到玻璃杯上，促使颗粒物通向底层，使其紧贴底层。为了证实这一描述，研究人员表明，缺乏任何聚合物或表面活性剂的威士忌样的液体没有产生均匀的痕迹。

“酒泪”现象的背后也有马朗戈尼效应――靠近玻璃杯顶部，即酒的表面以上，形成一个透明液体环。

司顿的研究小组在2014年物理学会议上汇报了他们的初步研究成果，“但我们花了不少时间来完成详细的测量、编写及出版报告并保证它通过审查”。司顿承认，他们不能够识别威士忌里与这些表面活性剂和聚合物效应相关的确切成分――威士忌的化学成分是相当复杂的――但他们确实发现了一些可疑成分。

有一些对这项功能的实际应用，即提高应用于各种工业的涂层均匀性，如3D 打印机。它使用的是一种被称为液体沉积的技术，用于打印过程中层层堆积。

“我们弄清了使颗粒物达到近乎均匀涂层的最小成分。”司顿说。也就是说，在用于涂料的混合物中要使用尽可能少的成分。

通常，科学和艺术在共生关系上的结合是个迷人的例子，各方从互动中均有所获。对司顿和他的同事来说，这是一个耐人寻味的科学问题，结果带来最近发表的论文。巴顿学到了一点有用的科学知识，拍出了一些真正触人眼目的照片，从中你可以查出威士忌启发的整个系列。