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popo松鼠会小庄推荐给我一篇论文:《Champagne Experiences Various Rhythmical Bubbling Regimes in a Flute》。作者做了一个有趣的研究:他专门研究了喝香槟或者啤酒的时候经常能观察到的来自瓶底的气泡,气泡似乎很有韵律,有时候能均匀地不断从一点吐出来,有时候又变了节奏三两成群地出来。这帮科学家要了解的是:什么控制了气泡的呼吸频率和节奏?

而在我看来,这篇文章首先证实了这样一件事情:科学都是小资的不小资就没法对着酒杯数泡泡。科学家们甚至把香槟酒杯搬到实验室里面,用高速相机对气泡进行写真,结果发现气泡原来是从杯底一些纤维素管中吐出来的!纤维素管是从空气中的毛织物或者抹布带来,玻璃容易带正电,当然也就容易静电吸引一些空气中的纤维灰尘。

纤维管吐泡泡的物理过程很有意思,一般香槟酒或者啤酒中都过饱和了二氧化碳来增加口感,当酒水倒入酒杯后,荡入杯底的纤维管成为了气泡的成核中心:过饱和的二氧化碳通过液固气界面释放进纤维管中,一旦管内气泡鼓出,酒水又会重新填充纤维管,进行下一轮的二氧化碳释放和堆积。在不断地吸收-释放-膨胀-排出过程中,我们看到了如珍珠链一般美丽的气泡不断升腾……

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当然对于我这种外行,看到的仅仅是一种过程,这几位科学家却发现纤维管居然存在着几种有规律的吐纳节奏,并且尝试用科学手段来解释。可能最有趣的结果是这几位老兄每天都会醉醺醺地离开实验室,多么值得羡慕的实验室啊!

这让我想起两年前在筑波时写过的一篇文章《筑波SEMINAR之十五:单壁碳纳米管喜欢喝绿茶》,里面讲述了一帮日本科学家用绿茶去喂碳纳米管,结果发现绿茶中含有苯环结构的杂多酚还真促进了碳纳米管的水溶性。

YY问我:陶瓷中是否喜欢泡泡,陶瓷如果填充满了泡泡岂不是成了蛋糕?

我要说,一部分人对这些残留在陶瓷中的“气泡”恨之入骨,也有陶瓷学者欣喜若狂。

在去年《Science》的一期中就专门请学者进行正反方陈述:一方说“Toward Pore-Free Ceramics”;另一方大呼着“In Praise of Pores”。

实际上,双方并没有冲突之处,只不过各自的研究矢量不太一样。陶瓷要获得高强度和高可靠性,就必须减小内部的气孔率,这对于陶瓷粉体的控制和烧结工艺的设计都一直是严峻的考验。气孔的存在不仅成为材料疲劳断裂的触发点,而且也恶化了光学透明性和成为了介电击穿的罪魁祸首,所以陶瓷研究一直都是把获得均匀致密的微观结构作为主要使命。

但是另一方面,我们又可以提高陶瓷体的体积气孔率甚至达到90%,充分发挥陶瓷材料的耐高温耐腐蚀已经传热导电等能力,使得单位质量的功能性得到最大程度地提高。严格地说,后者研究已经超越了传统对陶瓷的理解,这里我们甚至把陶瓷体作为微观相的组成单元,而不是单一“整体”的概念。

在某些特殊应用中我们可以明显看到这种材料设计的好处,比如说,作为高温分离材料多孔陶瓷可以滤过低熔点的金属而阻挡高熔点的无机物,作为生物材料多孔陶瓷可以同时满足一定的强度和其中的生物相容性,作为催化载体多孔陶瓷能充分发挥高温稳定性以及高比表面特性,作为隔热材料多孔陶瓷还可以在太空中经受高真空和大剂量辐射的考验等等。

(致密陶瓷排除气孔的过程)

(致密陶瓷排除气孔的过程)

陶瓷蛋糕制备方法倒是非常简单,大致说来有三种方案可以选择。

第一种方案和做蛋糕真有些相似,因为原料中不仅有陶瓷前驱体还有低沸点的溶剂或者膨化剂(如聚氨基甲酸甲酯等),这样在低温下溶剂不断蒸发和膨化剂体积膨胀的作用下,陶瓷前驱体在泡沫界面上脱水固化直至在高温下煅烧成型。这种方法当然是适合山寨界使用的,简单易行并且产量可观,但是当我们需要精确控制孔径分布大小和密度的时候,山寨版显然会束手无策。

第二种方案基本上走进新时代,利用了尺寸可控的聚甲基丙烯酸甲酯微球作为牺牲品,将陶瓷前驱体填充在微球之间,并在高温下除去微球。当然,我们何尝不可以把这些微球当作凝固后的泡泡?

第三种方法需要更多的专业知识,利用两相在不同温度下的热物理性质差别,巧妙地去除某一相而留下另一相。我觉得这种方案很像最近研究过的丝瓜纤维,更容易获得具有多层次的孔分布结构。

实际上,科学家并不仅仅满足于制备高空隙率的“陶瓷蛋糕”,为了满足某些特定的需要,我们可以对蛋糕中的内壁进行修饰,使得常规情况下的结构材料获得了更广阔的功能使用空间。写到这里,我不仅想提出一个概念:单位体积(面积)或者质量下的功能性和结构性。无容置疑,生物界的诸多设计都是在追求这方面的最大化,我们仔细研究一下骨骼、贝壳、羽毛、空竹等等,无一不体现了单位材料下的高效性。从这个方面来说,多孔陶瓷还有极大的空间值得探索。

(固态气泡的产生和气孔尺寸的梯度分布控制)

(固态气泡的产生和气孔尺寸的梯度分布控制)

(开孔与闭孔的“陶瓷蛋糕”)

(开孔与闭孔的“陶瓷蛋糕”)

参考文献

1, J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 6989

2, J. Euro. Ceram. Soc. 2008, 28, 1389

3, Science 2008, 322, 383

4, Science 2008, 322, 381

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21 Responses to “【专题:酒说】从啤酒泡泡到陶瓷蛋糕”

  1. Alex说道:

    沙发啊

  2. 小如说道:

    我,我先抢个沙发~!

  3. maokk说道:

    啥时候用到人工材料上来就好了。

  4. 说道:

    上个月做了个陶艺,只想着烧出来的时候不要有小泡泡。现在觉得,有小泡泡好像用处更大。

  5. [...] Posted 【专题:酒说】从啤酒泡泡到陶瓷蛋糕 [...]

  6. lalunasun说道:

    1.“但是另一方面,我们又可以提高陶瓷体的体积气孔率甚至达到90%,充分发挥陶瓷材料的耐高温耐腐蚀已经传热导电等能力”中,“已经”应该是以及吧。
    另外,既然说“充分发挥……传热能力”就说明有了气泡传热能力更强了,怎么下文还会说“ 作为隔热材料多孔陶瓷”呢?再说,即使多孔陶瓷的确可以作为隔热材料,这又与“ 在太空中经受高真空和大剂量辐射的考验”有什么关系?
    2.“ 当然,我们何尝不可以把这些微球当作凝固后的泡泡?”
    这什么话。。。直接“未尝不可”不就得了么。“当然”一般是用在陈述句中吧,后面跟个疑问句是个什么东西。。。
    3. “我觉得这种方案很像最近研究过的丝瓜纤维”
    方案像纤维,这就是主谓宾啊。。。

    • 张撞鹿说道:

      2,当然后面跟的是个反问句不是疑问句,所以这句没有语病。这句话语言有点欧化,我觉得无可厚非。

      • lalunasun要改文说道:

        好吧我的确说错了。。。是反问句
        我没找到关于“当然”这个语气副词的具体分析,但是我并没有在记忆中找到“当然”后面跟了任何一个带有疑问形式的句子——反问句也是有着疑问形式的句子。
        再说,句式的欧化是一般人都要避免的,还是改掉为好吧。

    • siccashq说道:

      回答第一问

      多孔陶瓷的功能性在于陶瓷体和气孔两部分,陶瓷体本身可以选择多种材料体系并拥有不同的导热性质。如果要绝热好的话我们可以用热绝缘性好的氧化硅材料,这样整个多孔陶瓷绝热能力因为气孔的介入而大幅度提高。当使用具有金属或者半导体性质的陶瓷基体材料,那么电磁波会因为气孔的介入而反射增强,多孔陶瓷因此而拥有了超强的吸波能力。

  7. 说道:

    啊,我看到了,这啤酒竟然跑到了蛋糕去了,真有你的!

  8. 路过说道:

    单纯对“科学都是小资的”这话不敢苟同……

  9. 路过说道:

    刚才还看着袁隆平
    无法想象杂交水稻也是小资的

    • siccashq说道:

      袁隆平是科学与技术的结合,我认为科普比科学更小资化一点,心灵上的小资是不是让思维更奔放一些?

  10. Young说道:

    啊,电镜?我们毕业设计都不给用的……

  11. 卜卜说道:

    好长。。。没看。。。

  12. 排骨说道:

    果然组织工程的重点还是在陶瓷上啊

  13. [...] 黄庆:《从啤酒泡泡到陶瓷蛋糕》 [...]

  14. versugw www.kuaipu.com.cn说道:

    快普企业管理软件(微信号:kuaipu)