【Gene爱聊科学】拿铁咖啡为什幺不是渐层而是分层的物理学秘

2020-06-12

拿铁咖啡是诸多义大利式的咖啡中的一种，泛指由热鲜奶和浓缩咖啡所沖泡，是一种颇受欢迎的义式咖啡。把鲜奶倒入咖啡杯时，咖啡师通过手腕些微的动作便能在杯中的奶泡上画出各种图案。

製作拿铁咖啡有个常识，如果想製作一杯漂亮的拿铁咖啡，应该把牛奶倒入义式浓缩咖啡中，而不是反过来。但是反过来会发生啥事呢？这会做出另外一种拿铁咖啡：分层拿铁咖啡。要製造分层拿铁咖啡，就是把义式浓缩咖啡倒入一杯牛奶。

美国俄勒冈州波特兰的一位退休工程师 Bob Fankhauser 意外地在家中创造出自己的分层拿铁咖啡，并且想知道为什幺这些漂亮的分层会形成。Fankhause 认为这是一个非常有趣的科学现象，因为没有什幺显而易见的原因让液体应该组织成不同的密度层 [1]。

Fankhauser 发送了一封电子邮件把他意外弄出分层拿铁咖啡的照片给了在美国普林斯顿大学研究流体力学的化学工程学家 Howard Stone，并鼓励他们对此进行深入研究。这个从流体的混乱，最初的倾倒和混合演变成一个非常有组织、明显的分层，对流体力学家来说有比味蕾和美学上更大的科学吸引力。

他们发现，任何人都可以在家里尝试这种方法，而且想创造分层果冻的厨师或者开发合成人体组织的生物工程师可能会发现这是很实用的；他们的研究也能够帮助更好地解释地球广阔海域中的热量和盐度依赖性水流是怎幺回事，这一现像在气候学和生态学中具有重要意义；从工业产品製造的角度来看，单一浇注技术比分层产品中传统的层叠技术要简单得多，因此他们想要探索一步完成整个分层结构的物理过程 [2]。

Stone 和博士生薛楠等人用一组 LED 灯和相机捕捉分层的过程，观察到当咖啡倒入加热的牛奶时，会有称为双扩散对流的现象，在液体中产生不同的密度层。他们用自己的义式浓缩咖啡和牛奶重新製作拿铁咖啡后，发展出了一个模拟的饮料，把加热染色的淡水注入密度更高的加热盐水中，里头含有能够散射绿色雷射光束的粒子，混合以测试使这种自发分层成为可能的科学参数。他们再进行模拟以所收集的资料，用以比较不同系统的各种模型 [3]。

他们发现，把热咖啡以一定的速度倒入热牛奶中，会引起温度和密度之间的相互作用，导致饮料分成不同密度的分层。被称为双扩散对流的相同基本现象在海洋中形成水层。含有不同浓度的盐水俱有不同的密度，就像拿铁咖啡中的浓缩咖啡和密度更高的牛奶一样。

当液体试图混合时，温度梯度导致一部分液体升温，变得更轻并上升，而另一个密度更高的部分则下沉。当一杯拿铁中某个区域的局部密度接近平衡时，这种下沉和上升的运动就停止了。结果，流体必须水平流动，而非垂直流动，从而形成不同的分层。

如果浓缩咖啡倒入牛奶的速度太慢，密度更高的流体将会和密度低的混合得过于均匀，就作不出分层拿铁咖啡。较快的倾倒速度使得密度更高的流体冲击密度更低的流体，并在建立密度均衡时引发快速运动，达到预期中的分层。

即使有一个温和的搅动，例如啜饮一层，分层还是会形成并保持几分钟、几小时，甚至好几天。只要拿铁咖啡的温度比周围的空气温度高，搅拌就会产生另一个密度梯度，与倒入浓缩咖啡产生的密度梯度相似。但拿铁咖啡达到室温后再搅拌，分层就会永别。他们将研究的发现发表在《自然通讯》中。

单单台湾一年就消费了上亿杯拿铁咖啡，没想到一个小小的巧思和打破沙锅问到底的好奇心及求知慾，还是让一个再日常不过的事物有了令人啧啧称奇的新奇科学发现！

1. JOANNA KLEIN. How Layers in a Latte Form. New York Times. DEC. 12, 2017.
2. Princeton University, Engineering School. "Coffee physics: Layering in cafe lattes yields insights for engineering, medicine and environment." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 December 2017. 
3. Nan Xue, Sepideh Khodaparast, Lailai Zhu, Janine K. Nunes, Hyoungsoo Kim, Howard A. Stone. Laboratory layered latte. Nature Communications, 2017; 8DOI: 10.1038/s41467-017-01852-2

上一篇：【Gene爱聊科学】如何培养幼儿的恆毅力？这是最新的科学研究
下一篇：【Gene爱聊科学】有人爱社交、有些人却超孤僻？催产素激活了