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本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

在下图中,一小杯热浓缩咖啡被倒进了一杯加热过的牛奶。一开始,它们的混合看起来相当混乱。然而,静静等待一会儿,神奇的事情发生了:玻璃杯中出现了整齐的分层。

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一位退休的工程师Bob Fankhauser自己在家也无意中做出了这种整齐分层的咖啡,他很好奇:这些分层到底是怎么产生的?

想把两种彼此混溶、密度也没差太多的液体做出漂亮的分层效果,这并不容易。而“分层拿铁”的制作步骤竟然只需要简单地往里一倒,这确实显得不寻常。

从混乱到整齐分层的过程

从混乱到整齐分层的过程

带着他的问题,这位老工程师把他的咖啡照片发给了Howard Stone,这是一位搞流体研究的工程师。后者对此也颇有兴趣,于是——他带领学生做了实验,然后还写了论文,然后还发表在《自然•通讯》上了_(:з)∠)_

那么到底是因为什么呢?其实这是一种名叫双扩散对流(double-diffusive convection)的现象。简单说,拿铁咖啡会分层是由两个不同的密度因素决定的:一、牛奶和咖啡的密度差异;二、热液体冷却降温造成的密度变化。

下面来具体讲一下。首先,热牛奶和热浓缩咖啡具有不同的密度:牛奶的密度要大一些。所以,当咖啡以一定速度倒入牛奶时,会产生一个密度的梯度变化:最底层还有一些未接触到咖啡的牛奶,中间是一系列不同程度混合的牛奶咖啡,咖啡含量最高的部分漂在上面。

一开始,这堆密度渐变的液体没有明显的分层,而分层出现在它们在室温下逐渐冷却的过程中。这是因为第二个影响密度的因素:温度开始发挥作用了。在靠近杯壁的地方,液体冷却得最快,冷却会让这里的液体密度稍微增加,于是它就会往下沉。

如果整杯液体都是均匀的,那么下沉应该会沉到杯底,但是这杯拿铁并非如此:因为之前咖啡和牛奶的不完全混合,它从上到下的密度是逐渐增大的。所以,当冷却的外侧液体向下沉了一小段之后,就会被下面密度更大的部分挡住,不再下沉,而是转向水平方向流动。于是,在这杯慢慢冷却的拿铁当中,就出现了分层的对流(见下图)。对流使得层内的液体得以混合,而层之间则不混在一起,于是我们就看到了比较清晰的分层。

液体的密度梯度和它们产生的分层对流(右侧),这里其实用的不是咖啡牛奶,而是进行模拟实验用的水和密度较高的盐水

液体的密度梯度和它们产生的分层对流(右侧),这里其实用的不是咖啡牛奶,而是进行模拟实验用的水和密度较高的盐水

这些对流过程中产生的分层相当稳定,至少可以维持几十分钟时间。如果咖啡还热着,即使轻轻搅拌一下,分层也还能恢复。不过,一旦冷却到室温,温度变化引发的对流不复存在,这些分层就不会再恢复了。

这是一个任何人都可以尝试的实验:只要你有热咖啡和热牛奶。具体的分层效果取决于你所用的杯子、倒入咖啡的速度、温度、咖啡和牛奶的比例等等,不过原论文并没有给出一个简单的倒咖啡教程。这种分层拿铁在味道上并没有多少优势(如果你不想喝到最后只剩牛奶的话,还是得把它们全搅到一起),不过视觉上确实还是挺有意思的。

信源:
https://www.nytimes.com/2017/12/12/science/lattes-layers-coffee-milk.html
https://www.nature.com/articles/s41467-017-01852-2

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