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 Mon, 16 Oct 2017 23:09:12 +0000 zh-CN hourly 1 http://wordpress.org/?v=4.3.12 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » 窗敲雨 http://songshuhui.net 32 32 “香蕉味”为什么不像真香蕉? http://songshuhui.net/archives/98799 http://songshuhui.net/archives/98799#comments Thu, 12 Oct 2017 23:07:38 +0000 http://songshuhui.net/?p=98799 本文作者:窗敲雨

关于人工香精,人们总是有很多槽要吐:它们吃起来根本不像真的!比如说,糖果和饮料中的香蕉味就和我们平时吃到的香蕉感觉相当不同。

很多时候人工香精与实物的差异要怪香精组分过于简单,无法很好地还原真实水果复杂的风味。当然,这对香蕉香精也成立,不过,它的故事还不止于此:其实,香蕉香精的风味中也保留着一些香蕉品种的兴衰史。

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据风味历史学家Nadia Berenstein说,最早的人工香蕉香精配方至少可以追溯到1860年代。在人工风味研发的早期,人们的方法还比较简单,他们主要是在各种已知的化合物中寻找与水果气味相似的分子,而并没有对真水果中的香气成分进行逐一分析。这其中最主要的原因是,香气化学分析做起来挺困难的。比起贡献味觉体验的糖分、酸,那些贡献水果香气的成分含量要低得多,在那时对如此少量的成分进行分析并不容易。

在这样的思路下,风味化学家就锁定了一种“差不多是水果味”的化合物:乙酸异戊酯,这种分子被人们与香蕉味联系了起来,并广泛用在各种香蕉味的饮料、糖果和点心当中。当然,这种成分在水果中确实也是存在的,只不过水果所含有的香气物质种类繁多,乙酸异戊酯只是其中的一部分。

在上世纪早期,市场上最常见的香蕉品种名叫“大麦克”(Big Mike,或者叫Gros Michel),在当时,这个品种因为耐长期运输而胜出。不过,它在市场上的霸主地位并未一直持续下去。1950年代的时候,真菌病害对大麦克香蕉造成了严重的打击,生产商不得不寻找新的香蕉品种来种植。这一次胜出的品种是华蕉(Cavendish),它才是我们今天最容易吃到的香蕉品种。

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(如今我们吃到的香蕉绝大多数都是同一个栽培品种:华蕉)

而品尝者和分析风味成分的化学家都表示,大麦克香蕉和华蕉有着不太一样的风味。那种乙酸异戊酯相关的“人造香蕉味”,在大麦克香蕉中更加浓郁。也就是说,人们把乙酸异戊酯和香蕉味联系起来的年代里,这种联系确实更有道理的。现在人们觉得香蕉吃起来和香蕉味糖果不一样,某种意义上说这并不是风味研发者搞错了,而是我们用作参照的真香蕉改变了。打开一颗香蕉糖果,你所品尝到的就像是旧日香蕉风味的缩略版。

事实上,大麦克香蕉在1950年代之前就已经受到病害困扰,在1923年的时候,美国甚至专门有一首歌来唱香蕉因为病害供应短缺的事情,名字就叫做:是的,我们没有香蕉。有兴趣可以点开听一听

对于现代栽培品种的香蕉来说,病害真的是个很麻烦的问题,因为它们是无性繁殖的,基因的多样性小,所以如果病原体可以感染它们,就意味着倒霉的会是一大片……现在的香蕉品种其实也同样面临着病害的威胁,想了解更多可以看看阅读这篇文章:《拿什么保卫你,美味的香蕉》(上)(下)

PS:香蕉香精虽然和我们吃到的香蕉不太一样,但我还是很喜欢香蕉味牛奶~

参考:https://www.sciencefriday.com/articles/why-dont-banana-candies-taste-like-real-bananas/

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电影里电光石火的特效是怎么来的? http://songshuhui.net/archives/98768 http://songshuhui.net/archives/98768#comments Thu, 05 Oct 2017 23:07:25 +0000 http://songshuhui.net/?p=98768 本文作者:窗敲雨

本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

在电影里,当兵刃交锋时,总少不了各种电光石火的特效。但如果用普通的刀剑去拍摄,其实很难得到这么酷炫的火花效果。

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想要得到飞溅的火花,你需要一种特别的金属——确切地说,一般是混合稀土合金(Mischmetal)。这是多种稀土金属元素的混合物,我们很难确切地定量表示它的化学组成,不过大致上其中最重要的元素是铈,大约占了总量的一半,其中另外还含有大约25%的镧,以及更少比例的钕和镨。

在用刀之类的东西快速刮擦时,这种合金很容易产生明亮灼热的火花。这主要是与其中的铈有关,它很容易和空气中的氧气发生反应。如果是一大块金属铈或者合金,表面形成的氧化膜会阻碍氧化反应继续进行,而刮擦得到的细小金属碎屑则会很快地与氧反应并放热,由此产生明亮的火花。

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因为这种性质,稀土合金被用来制作打火机等地方的点火装置,电影特效也少不了它帮忙。不过这种合金本身质地太软,1903年的时候化学家Carl Auer von Welsba又在其中加入铁,改造得到了更适合的打火合金(Ferrocerium)。

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(打火机产生的火花,高速摄影。录制者:Slow Mo Lab)

天然的稀土元素常常彼此相伴,人们也是从这种混合物的状态开始了解稀土,并把它们一个个分离的。现在稀土金属已经远不是做引火工具那么简单了,它们在很多领域都有重要的用途。比如说具有强磁性的钕磁铁,著名的高温超导体(高温是相对而言的,意思是只要用液氮降温就足够了,至少不需要用更冷的液氦)钇钡铜氧,它们都离不开稀土元素。

电影的很多音效和视觉效果其实都比较夸张,与现实并不相符,不过它们确实给观众提供了很爽的体验,所以就这样一直沿用了下来。电影音效也有很多套路,比如说用椰子壳来模仿马蹄的声音,在被殴打骨折的地方加入捏碎核桃的声音等等,其实也挺有趣的~

图片来源:Andres Tretiakov
信源:Chemistry in Pictures

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沙拉酱和洗发水里的分子小螃蟹 http://songshuhui.net/archives/98729 http://songshuhui.net/archives/98729#comments Sat, 30 Sep 2017 23:34:32 +0000 http://songshuhui.net/?p=98729 本文作者:窗敲雨

本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

沙拉酱和洗发水有什么共同点?

不,我不是要说它们都含有水,或者它们都是白浊液体(?)……事实上,它们很有可能会含有同样的一种化学成分,这种分子也是今天故事的主角。

下图列出了几种我在超市拍到的沙拉酱和日化用品成分表:

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看到它了吗?虽然不处于显著的位置,但它藏在很多日常产品当中,这就是EDTA(乙二胺四乙酸,添加的往往是它的钠盐)。

这是一种常见的螯合剂——说到这个词我脑海中总会浮现出一只小螃蟹。很多金属离子在溶液中都是以络合物的形式存在的,比如说水合铜离子。这种普通的络合物并不是很稳定,与金属离子配合的分子还是可以换来换去,金属离子还是可以发生各种反应。

但是EDTA的情况不同,它一个分子上就有6个位置可供络合,于是它能和很多金属离子形成1:1的配合物,而且这些配合物的稳定性相当好。它真的就像是一只小螃蟹,牢牢夹住金属离子们,轻易不会松手。

一个示意图:

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这种牢牢抓住金属离子的性质使得它有了很多应用价值。有些时候,某些金属离子会带来我们不希望看到的结果,比如说游离的铁离子可能会催化人们不想要的化学反应,让食品颜色、风味或是稳定性变差,这时候加入一点螯合剂把离子抓住,就能帮助产品保持稳定。EDTA也可以抓住铅离子,因此它还被用于解救铅中毒的患者。

除此之外,EDTA还可以用在络合滴定上。这和酸碱滴定的操作差不多,只不过是用EDTA来结合金属离子,并需要专门的指示剂。我在大学化学课上就用它测定过鸡蛋壳中有多少钙镁离子。

借助EDTA的力量,还可以实现一种漂亮的实验效果:

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这是鲁米诺发光实验的一种做法,铜线附近的铜离子会催化反应,发出美丽的蓝光。随着反应,铜离子会扩散到溶液中,因此如果用普通的做法,蓝光很快会充满整个溶液,但只要在溶液中加入EDTA抓住铜离子,就可以让光只点亮铜线周围了~更多阅读:动图欣赏:点亮铜线

这就是今天的分子故事啦,记住这只小螃蟹了吗?

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多亏这种分子,香草味冰淇淋成了人们身边的基本款 http://songshuhui.net/archives/98558 http://songshuhui.net/archives/98558#comments Sat, 23 Sep 2017 13:06:18 +0000 http://songshuhui.net/?p=98558 本文作者:窗敲雨

本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

小时候,我接触到的所有茶叶几乎都是茉莉花茶,廉价茉莉花茶更是饭馆的标配。当我第一次见到茉莉花的时候,心中暗想:这花怎么一股茶叶味?

而另一种令我产生迷之误解的东西是香草冰淇淋。很长一段时间里,我都把它看成冰淇淋的“原味”。香草味在我心目中几乎等于“没有味”:没有巧克力,没有草莓,没有葡萄干,什么也没有……

这么说对香草很不公平,相比纯粹的牛奶冰淇淋,香草味当然还是多了点甜甜的香气。不过出现这样的误会倒也可以理解。在冰淇淋界香草味是如此普遍的基本款,满大街都是,任何牌子都有。它是如此常见,以至于这种香甜的风味近乎成了乏味的代名词。英文里甚至专门有“plain vanilla”这种说法,用来形容那些平淡无奇的事情。

香草口味能够如此烂大街,其实源自人们对一种化学分子人工合成方法的掌握,这个分子就是香兰素。

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在天然的香草荚里,香兰素就是最重要的一种香气成分。这种天然的香料来之不易:首先种植条件就比较高,而且收获新鲜果荚之后还需要经过漫长的加工才能真正成为香料。

新鲜的香草荚并没有那种甜香的气味,因为它所含有的香兰素不是游离的,而是以糖苷形式存在,此时香味还无法释放。

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(新鲜香草荚,里面装着兰科植物香荚兰细小的种子。右边是其中糖苷形式的香兰素。)

在经过漫长的日晒、发酵的过程之后,香草荚才终于获得了它的香气。在天然香草的香味提取物中,香兰素占到了约98%的绝对优势地位,其他还有上百种不同的分子。

天然香草一直是比较昂贵的,直到今天依然不便宜,因此我们在加工食品中所吃到的香草味大多都来自人工生产的香兰素。正是这种人工生产的工艺,使得香草味成为了最寻常平价的口味之一。现在的巧克力中也经常会加入香兰素提升风味,虽然可可本身并不含有这种分子。

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(在天然提取物之外,现在普遍占据市场的是人工合成香兰素制成的香草精。其他人工香精在口味上常会遭到吐槽(尤其樱桃味),不过人工香草味却得到了广泛的接受。一方面香兰素对香气的贡献确实是压倒性的,另一方可能也是因为吃到真香草的机会确实比较少,人们已经对遍地的人工香草味十分习惯了_(:з」∠)_)

有意思的是,香兰素也是旧书气味的组成成分之一。在木质素降解转化的过程中,就可以产生这种香甜气味的物质。事实上木质素也是生产香兰素一个重要的原料,不仅有从造纸业遗留的木质素进行生产的方法,甚至还有研究者十分脑洞大开地用牛粪中的木质素做出了香草精……

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(牛粪做香草精,这位研究者你思路可以的……她获得了2007年的搞笑诺贝尔化学奖)

总之, 还是要感谢化学研究者们让我们能够如此方便地享受甜美香气吧~你们喜欢香草味的食物吗?我还是挺喜欢香草气味的,虽然比起冰淇淋更喜欢香草味的维他奶_(:з」∠)_

参考:
http://www.chm.bris.ac.uk/motm/vanillin/vanillinh.htm
http://www.compoundchem.com/2014/06/01/newoldbooksmell/
https://www.hindawi.com/journals/ijce/2008/603957/

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反应动图:铜币变金币 http://songshuhui.net/archives/98548 http://songshuhui.net/archives/98548#comments Wed, 13 Sep 2017 23:26:51 +0000 http://songshuhui.net/?p=98548 本文作者:窗敲雨

本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”,源链接在这里

这是一个很神奇的反应,不过往后看你就会知道,神奇的点其实不在于颜色变化。

在烧杯中加入硫酸锌溶液和金属锌颗粒,以及表面光洁的铜制硬币(需要接触到金属锌)并加热。接下来会观察到铜币变成银白色:

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(动图是加速的)

把已经变成银白色的硬币捞出来冲干净,然后再放到本生灯、加热板之类的地方进一步加热。接下来——它变成金币了!(喂)

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当然这肯定不是金和银。其实是硬币的表面在反应中覆盖上了一些金属锌,然后就变成了银白色。之后充分的加热让锌和铜形成了金黄色的合金,这也就是黄铜。

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听起来似乎是个简单明了的反应,但是,你可能会发现其中的疑点——这反应怎么发生的?我们在体系里只有锌盐、金属铜和金属锌,而现象显示无疑是有锌离子被还原到了硬币的表面,那还原剂是谁?金属铜把锌置换出来?这反应方向不对啊……

事实上,这个反应的还原剂是锌。是的,一个其实很古怪的电化学反应。一边是铜电极上锌离子被还原形成金属锌,另一边是锌电极上金属锌被氧化变成锌离子……还有这种操作?

根据我看到的论文解释,这个反应的驱动力其实来自形成合金。实验发现,在铜和锌表面让锌离子还原,这二者的趋势(确切地说,电极电位)确实是不一样的,如果把它们连接成原电池,锌总是会更倾向于沉积到铜的一边。原因可以这样来理解:在铜的表面,锌与铜形成了很薄的合金,这个合金其实是和纯粹的金属锌不一样的东西,它性质更稳定一些。

也就是说,这个总反应其实可以这样理解:
金属锌(性质更活泼)→铜锌合金(性质更稳定)

从相对不稳定的状态生成相对稳定的状态,这样反应看起来就合理多了。

有其他一些实验证据可以支持这个推测,比如说其他几种能和锌形成合金并且比锌稳定的金属也能发生类似的反应。而且这个反应并不能一直持续进行,只能生成很薄的一层,因为锌在铜中的扩散没有那么快,随着反应,表面的合金中锌比例会越来越高,最终“形成合金变得更稳定”的优势就没有了。

按照这个解释,其实第一步的“银币”表面我们看到的也是铜锌合金而不是纯锌,只不过因为比例不一样所以它不是金黄色的。

这个简单有趣的实验有很多地方都提到,不过也有很多地方并没有明确地解释原理。其实这个原理还是挺有趣的_(:з」∠)_

PS:经典版本的金硬币实验要用到氢氧化钠,但后来证实氢氧化钠其实不是必要的条件。

现在的版本风险不太高,不过还是建议在专门的实验室中进行操作。

参考资料:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed072p386?journalCode=jceda8
实验操作的完整介绍见:
https://melscience.com/en/articles/alchemists-gold-experiment/

原视频录制者:Mel Science

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喝水鸟:从未见过如此呆萌的科学玩具 http://songshuhui.net/archives/98412 http://songshuhui.net/archives/98412#comments Wed, 06 Sep 2017 23:49:27 +0000 http://songshuhui.net/?p=98412 本文作者:窗敲雨

本文首发于窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

这是一种利用蒸发驱动的小玩具,人们一般叫它“喝水鸟”(Drinking bird)。长相极其呆萌:

眼神宛如智障……

眼神宛如智障……

如果把它凑近一杯高度合适的水,然后让鸟嘴先在水中沾湿,然后你就可以看到它自己开始摇摇晃晃地喝起水来,场面非常欢乐:

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所以,这是怎么做到的?

首先先来看下“喝水鸟”的构造。这个东西其实是装在架子上的一个密封玻璃容器,结构如下图:

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“鸟头”和“鸟肚子”中间由一根玻璃管连接,“鸟肚子”里有一些容易挥发的液体(例如一般是二氯甲烷,沸点39.6 °C),玻璃管的下端浸入液体中。与“鸟头”连接的“鸟嘴”覆盖着可吸水的毡状材料。

装置制造时抽走了空气,因此充斥空腔部分的是液体挥发的蒸汽。在鸟肚子和鸟头部分的空腔都充斥着蒸汽,注意这两部分气体是被液体隔开的。一开始这两部分蒸汽气压平衡。

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接下来,首先需要手动把鸟嘴沾湿,然后鸟嘴上的毡状材料里面吸的水蒸发,蒸发导致小鸟的头部降温。

在热成像下可以看到小鸟头部的温度下降:

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头部降温导致上方玻璃空腔里面的蒸汽压强降低(一方面是部分蒸汽冷凝,另一方面温度下降体积不变本身也会让气压降低),这样就打破了原来的平衡。下方空腔部分的气压较高,下方的液体被压入玻璃管中。

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液体上升之后,小鸟变得重心不稳,会向前倒。而倾斜之后,玻璃管的下端会跑到液面的上方,导致管中的液体流回下方,上下气压也重新变得平衡。液体回到下端之后,又会带动小鸟会到直立状态。

而如果小鸟的前方放了水,那么在向前倒的时候它的嘴又会被水浸湿,上述循环还会继续发生。这样一来,“喝水鸟”就可以持续喝水动作了。

这个小玩具可以帮助人们了解一些基本的物理概念,不过我觉得它最大的优点还是十分魔性,视频看起来尤其逗……

值得注意的是,喝水鸟并不是永动机,它必须不断从外界获取用于蒸发的水才能维持运动。

热成像和示意图来自:Sixty Symbols

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