科学松鼠会 » 窗敲雨 http://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Thu, 21 Jun 2018 06:15:02 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.3.16 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » 窗敲雨 http://songshuhui.net 32 32 小实验:制作最廉价的“疏水涂层”,你只需要一支蜡烛 http://songshuhui.net/archives/101386 http://songshuhui.net/archives/101386#comments Sun, 17 Jun 2018 06:57:26 +0000 http://songshuhui.net/?p=101386

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疏水涂层听起来都是很高科技的东西,不过也有一种低端的“疏水涂层”每个人在家都能亲自制作,所需的材料只有——一支蜡烛。

你可以用不锈钢勺子做这个小实验。点起蜡烛,用纸或布包住勺子柄以免烫手,然后把勺子头慢慢靠近蜡烛火焰,直到勺子能被蜡烛的黑烟熏黑,然后移动勺子,直到勺子头部完全被熏黑为止。

你会得到这样的结果:

vrain-hydrophobie-1

(有一种我是不是也得到了廉价版Vantablack的感觉(不对))

接下来,等勺子晾凉之后,倒一杯水把勺子伸进水中。这时候可以观察到,黑乎乎的勺子在水中显得银光闪闪:

vrain-hydrophobie-2

(注意看水面上下的对比)

这时再把勺子取出,可以看到被黑烟覆盖的区域还是干的。

在水里“银光闪闪”的勺子正是表面疏水性的体现,黑勺子的表面附着着薄薄的空气层,水完全无法将它浸润。在水和空气层的界面上光线反射,看起来就有一种很光亮的感觉。

把勺子靠近蜡烛火焰时,燃烧的供氧受到一定阻碍,这会增加蜡烛的不完全燃烧,让它冒出更多黑烟。这些黑烟含有细小的碳颗粒以及与水不亲和的其他成分(比如一些石蜡蒸汽)。而与水不亲和的物质再加上有细小凸起的粗糙表面,这正是造就卓越疏水性能的要点。

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(一个示意图。图片来源:thenakedscientists)

当然,这仅仅是一个观察实验,并没有什么实用价值。蜡烛烟涂层的疏水性能虽然不错,但是它太容易掉,随便一蹭就掉没了……

用鸡蛋也可以做这个实验。最好先在鸡蛋壳上打小洞倒出内容物然后挑在筷子上用蜡烛熏黑,否则鸡蛋比较难固定,也有烧裂的风险。

下面是一个“银色鸡蛋”的效果图:

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生活疑问:为什么牛奶是白的,奶酪却是黄色? http://songshuhui.net/archives/101377 http://songshuhui.net/archives/101377#comments Sat, 16 Jun 2018 06:57:26 +0000 http://songshuhui.net/?p=101377

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白色的牛奶为什么做出了黄色的黄油和奶酪?简单说,这两种颜色有着不同的来源,白色来自光的散射,而黄色则源于β-胡萝卜素。

奶牛们从食物中摄入了胡萝卜素,这些脂溶性色素会出现在牛奶的脂肪部分中。牛奶本身不太看得出黄色(其实也能看出一点点),这是因为含有色素的乳脂肪分散在了大量的水中。我们所看到的白色来自光的散射。确切地说,散射光线的一个主要成分是酪蛋白形成的胶束结构。

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(酪蛋白胶束结构的一个简单示意图。酪蛋白是牛奶中含量最丰富的一种蛋白质,它们和磷酸钙共同形成的胶束结构分散在牛奶中,这些小颗粒直径大约有150纳米。图片来自:Compound Interest)

在制作黄油和奶酪时,牛奶中大量的水分都被除去,此时脂肪中的胡萝卜素颜色凸显了出来。根据奶牛食物和制作工艺的不同,奶酪的黄色深浅也有差别。一般来说,吃牧草的牛摄入胡萝卜素更多,生产的乳制品也会更黄一些。和牛奶不同的是,山羊、水牛和绵羊的奶中都缺乏β-胡萝卜素。因此,用山羊奶或者水牛奶制作的奶酪看起来就更白。

不过,不少时候超市货架上最终产品的颜色其实取决于人工添加。很多人偏爱色泽金黄甚至橙红色的奶酪制品,生产者们自然也会迎合这一点。人工添加到这些乳制品里的色素有很多种,加入和牛奶成分一样的β-胡萝卜素当然是很好理解的思路,除此之外,胭脂树红之类的红色色素也是很常见的选择。

下面是我拍到的一个添加了胡萝卜素的奶酪棒:

vrain-milk-carotene-2

以及加了胭脂红的奶酪小饼:

vrain-milk-carotene-3

本文参考:http://www.compoundchem.com/2018/06/02/milk/
https://well.blogs.nytimes.com/2016/10/14/since-milk-is-white-why-is-butter-yellow/

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小实验:送网球上天 http://songshuhui.net/archives/101382 http://songshuhui.net/archives/101382#comments Thu, 14 Jun 2018 06:56:05 +0000 http://songshuhui.net/?p=101382

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举起一个篮球,然后松手让它自由下落,观察一下,它会弹起多高?再换一个网球从同样的高度下落试试。

这两种球单独下落后弹跳的高度都达不到让人印象深刻的程度,不过如果把两颗球叠在一起情况就不同了。下面,就让我们送网球上天:

vrain-momentum-conservation

(这个是慢动作)

把网球放在篮球的上方,然后让两个叠在一起的球垂直下落撞击地面。这样做的结果是,上方的网球弹起了远超过初始状态的高度。

在碰撞的过程中,篮球将动量传递给上方的网球,而且因为网球的质量远比下方的篮球小,传递过来的动量能够赋予它更多速度。于是,获得高速度的网球能达到的飞行高度大大增加,而篮球弹起的高度比原来降低。

这是一个经常被用来演示动量守恒的实验。如果假设篮球与地面、两球之间先后发生完全弹性碰撞,碰撞过程同时符合动量守恒以及动能守恒,通过公式可以计算网球弹起的理论高度。不过当然实际情况没有那么理想,现实中的碰撞不是完全弹性的,球弹起的高度也会比理论值低。

如果在上方再增加第三个更轻的小球,效果会更加戏剧性,不过让三个球保持一条直线下落撞击地面不是一件容易的事……网球和篮球叠在一起下落相对比较容易,因为篮球上有凹槽花纹,而且网球表面也比较粗糙摩擦力大,暂时放住应该不成问题,不太需要辅助装置。

这个演示适合在户外障碍物较少的地方进行,室内容易打到天花板。

Physics Girl做过三球版本的视频,有兴趣可以找来看下。做成动图球太小难以辨认,我这里就不放了_(:з」∠)_

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泡泡见多了,你玩过“反泡泡”吗? http://songshuhui.net/archives/101305 http://songshuhui.net/archives/101305#comments Sun, 10 Jun 2018 06:29:03 +0000 http://songshuhui.net/?p=101305

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吹泡泡是大家都很熟悉的儿时游戏,只要用洗涤剂降低表面张力,就能吹出很多肥皂泡泡。

而今天要介绍的是一种与肥皂泡正好相反的现象:反气泡(Anti-Bubbles)。相反是怎么回事?看看它们的结构对比就明白了:气泡内外都是空气,中间隔着一层薄薄的液体膜,而反气泡则是液体环境中由一层空气薄膜隔开了液滴。

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人们对普通的泡泡非常熟悉,而知道反气泡的人则少得多,和气泡相比关于反气泡的研究也比较少。其实在生活中,反气泡并没有那么罕见,但是很多时候并不会被注意到。这一方面是因为,水下的反气泡(里面还包着一滴水)可能乍一看和水下气泡(里面只有空气)难以区分;另一方面,反气泡和肥皂泡相比也更难保持稳定,可能很快就消失了。

反气泡长什么样?下面我们就先来看一下演示视频:

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(一个漂浮在液面附近的反气泡,可以看到空气膜破坏后其中的有色液体流出,还形成了涡环。录制者:Physics Girl)

乍一看,这些泡泡确实和水下的气泡很像,不过仔细观察就可以发现差别:反气泡会在水下破裂,破裂之后只有很少量的空气浮上水面。通过给制造反气泡的水滴染色,我们就更清楚地看到了反气泡空气薄膜包着液体的结构。

那么,反气泡要怎么“吹”呢?首先,要在水中加入一点洗涤剂,表面活性剂也能让反气泡变得稳定一点。接下来,用滴管吸取溶液,快速地挤到靠近液面的上方。

实物图:

vrain-anti-bubble-3

(录制者:FlinnScientific)

这个过程比较像是悬浮液滴的进阶版。如果液滴的速度不大,那么它会在液面上悬浮片刻,中间有一层空气隔开;而如果滴落的液体速度足够大,那么它就有机会带着周围包裹的空气薄膜一起完全没入水中,这样一个反气泡就诞生了。

示意图:

vrain-anti-bubble-4

因为困住了一层空气,反气泡整体比溶液密度稍低,倾向于上浮。浮到表面和碰到容器壁都会让反气泡很容易破掉。

为了让反气泡在液体中多悬浮一会儿,可以改变一下实验的溶液密度。首先在肥皂溶液中加入一些玉米糖浆(我觉得蜂蜜应该也行),粘稠的糖浆会沉到底部;接下来稍加搅拌(不要完全搅匀),这样能在杯子里制造一个密度梯度(由上到下密度逐渐增加);然后,从大概中间偏下的位置吸取溶液,用来滴落制造反气泡,这样一来,反气泡应该能够悬浮在杯子中间。

感觉反气泡这种现象有种很微妙不起眼的厉害,解释一下觉得很特别,不解释却又让人看不出和普通气泡什么区别来_(:з」∠)_

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小制作:不能贪多的公道杯 http://songshuhui.net/archives/101294 http://songshuhui.net/archives/101294#comments Fri, 08 Jun 2018 06:28:55 +0000 http://songshuhui.net/?p=101294

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公道杯是一种有着悠久历史的虹吸小装置,只要不超过限定的水位,它可以正常地装茶倒酒,但一旦倒得太满,里面的液体就会全部流走:

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公道杯的原理和结构其实都不复杂,只要给普通的杯子加装一根合适的虹吸管,就能做出一只公道杯。

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最简单版本的DIY公道杯可以用一次性塑料杯、吸管以及热熔胶来制作,只要几分钟时间就能做好。

首先用锥子在塑料杯底部打个能让吸管穿过的洞(这种塑料杯很软,别的工具如剪子其实也能穿透):

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接下来取一个可以中间可以弯折的吸管,把它折成倒U形(吸管中间粘一下固定形状):

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把长的一边从杯底的洞穿过,让倒U形的部分立在杯子中间,短边开口处靠近杯底。接下来从杯底的外侧用热熔胶将吸管周围的缝隙密封:

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接下来剪掉杯子外侧多余的吸管,让杯子能立在桌子上即可。

杯子的结构示意图如下。倒U形部分的长度决定了最高水位。单用一根吸管这个水位会比较低,如果想要加高就在短的一边再接上一段吸管,并用热熔胶密封避免漏水。

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实际效果(经过加速):

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这个版本从演示虹吸效果上没有任何问题,问题主要在于长得很简陋,而且虹吸管立在杯子中间,杯子又是透明的,看起来就很明显。

为了让虹吸管看起来稍微隐蔽一些,我还做了另外一个版本的公道杯,效果如下(依然是经过加速):

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这一次的思路是虹吸管从外面走,把它大部分藏进杯子的把手里面。我找了一个空心把手的塑料杯(是的,这种把手实际是用来放牙刷的),在对着把手的杯壁下部开了个洞走吸管。

示意图如下:

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这样一来,杯子内部就只剩下一个接吸管的开口,看起来会更像是普通的杯子。

当然,论美观程度和陶瓷或者玻璃制的公道杯还有很大差距……有兴趣的话大家也可以自己尝试做一做,或者提出更多改进的方案。

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脱毛膏是怎么起作用的? http://songshuhui.net/archives/101208 http://songshuhui.net/archives/101208#comments Tue, 05 Jun 2018 06:16:19 +0000 http://songshuhui.net/?p=101208

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修剪毛发通常是个纯粹物理的过程,但脱毛膏是个例外。把脱毛膏涂在皮肤上几分钟,就能让强韧的毛发突然变得不堪一击,只要用塑料板轻轻一刮就纷纷脱落,这过程中其实发生了化学反应。

脱毛膏所针对的是毛发中的角蛋白,确切地说,是蛋白质分子中的二硫键,这种化学键对维持蛋白质的结构非常重要。

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(蛋白质二硫键的简单示意图,它们在半胱氨酸残基之间形成)

而在脱毛膏中通常都加入了一种名叫巯基乙酸的物质(或者用的是它的盐),这个物质就是专门用来破坏二硫键的。它会与毛发角蛋白中的二硫键发生如下反应,将这些连接“打断”(二硫键用R-S-S-R表示)。这样一来,毛发的结构也就遭到破坏,变得能够轻易地去除。

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这是一个可逆反应,其中巯基乙酸以阴离子的形式参与。为了保证有足够多的二硫键被破坏,就需要有足够浓度的阴离子反应物。为了达到这个条件,脱毛膏还会加入氢氧化钙、氢氧化钾之类的物质,让局部保持较高的碱性(看了下资料pH大概在12多一点)。皮肤表面也含有角蛋白,不过脱毛膏对毛发的破坏作用还是比对皮肤要快不少,在几分钟时间内还不会对皮肤造成太大影响。

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(脱毛膏的成分表,其中最关键的反应物是巯基乙酸)

对于我这样的手残而言,借助化学的力量可以避免刀片刮破皮肤。但脱毛膏破坏角质蛋白和需要较强碱性的特性也决定,这东西对皮肤肯定温和不到哪儿去。如果有注意过这类产品的包装也会发现,商家总是会用很大的篇幅来写使用指导和警示。最重要的原则是,要首先进行小面积的测试,并且任何时候都不要让它们在皮肤上停留过久,皮肤敏感的人尤其需要谨慎。

脱毛膏的另外一个缺点是使用的时候总会闻到一点怪怪的气味,这个气味就来自巯基乙酸(生产者其实已经很努力地在遮盖这个气味了,然而并盖不住)。这个味道容易让人想起理发店,事实上烫头发的时候也会用到同类的成分(烫发可以看成一个二硫键破坏与重建的过程)。当然,不同用途的产品都有不一样的配方,不是说可以拿脱毛膏来烫头发(也不会有人这么干吧_(:з」∠)_)。

前两天看了下脱毛膏的成分表突然想到这个,也算是化学应用于生活的一个例子吧。

参考:http://eng.mst.dk/media/mst/69114/31.pdf

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