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不可思议的FOAM:跟果冻一样的东西(连载之二)

跟果冻一样的那东西其实是名叫“气凝胶"的物质。我完全误解那则资讯了。美国国家航空航天局不是在采集气凝胶,而是用气凝胶来采集星尘。我没再多想,而是赶紧上网搜寻气凝胶的信息和历史。我发现气凝胶不是来自外太空,但它背后的故事还是奇特得很。气凝胶是20世纪30年代发明的,发明人是名叫契史特勒(Samuel Kistler)的美国人。契史特勒原想研究农学,后来却变成化学家,他发明气凝胶纯粹出于对果冻的兴趣。果冻?

契史特勒问果冻是什么?他知道果冻不是液体,但也不算固体,因此他认为果冻是困在固体里的液体,但这个固体监狱的铁栅是细到看不见的网格。食用胶的网格是由长串的明胶分子组成,主要成分为胶原蛋白。绝大多数的结缔组织都由胶原蛋白构成,像是腱、皮肤和软骨。明胶分子入水后会先分解再连成网状,把液体锁住让它无法流动。因此,果冻基本上就像灌了水的气球,只不过它并非靠外层的薄膜把水困住,而是从里面让水不能流动。

果冻网格内的水分子是由表面张力拉住的。水会润湿其他物体,形成水滴并附着在其他东西上,这都是表面张力的作用。果冻网格内的表面张力强度刚好,既让水无法挣脱,又可以晃动,所以果冻才会那么柔软又有弹性,有那么奇特的口感。果冻几乎百分之百是水,熔点为35℃,因此一放入口中,明胶网格就会瓦解,让水透射而出。果冻是困在固体网格内的液体,这说明虽然简单,但契史特勒还不满意。他想知道果冻内看不见的明胶网格是不是一个整体,也就是网格是不是一个共聚而独立的内在框架?如果把液体移走了,网格是不是依然存在?


 

为了回答这个问题,契史特勒做了一系列实验,并于1931年把结果投给《自然》科学期刊(3211号,卷127,741页),标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》。他开头就写:

“果冻内液体的连续性展现在扩散、脱水及超滤,而且可由其他性质不同的液体替换,清楚表示胶体结构和内部的液体可能是互相独立的”。

契史特勒这段话的意思是,实验显示果冻内的液体是连成一体的,而非分成小块,而且可以替换成其他液体。他认为这表示果冻内的固体结构可能和液体是互相独立的。此外,他用涵盖范围更广的“胶体”一词取代果冻,表示所有类似胶体的物质都有这个特性,从非常接近固体的物质到非常接近液体的物质都是如此,发胶、鸡高汤和凝固中的水泥(网格由硅酸钙原纤维组成)无一例外。

契史特勒接着指出,目前还没有人能把胶体内的液体和固体结构分离。·之前有人透过蒸发去除胶体内的液体,但由于胶体缩得太利害,使得固体结构也大受损害。换句话说,之前的人想用蒸发去除胶体内的液体,结果内部固体结构直接塌了。契史特勒骄傲地说,他和合作伙伴已经找到了解决之道:

“我和能利德(Charles Learned)先生认为,胶体内的液体可用气体代换,并且在麦克班(J.W.llcBain)教授的慷慨协助及建议下,做了实验来检验大家的假说,结果大获成功。”

这个做法的高明之处在于保留胶体内的液体,然后用气体去代换,借由气体的压力支撑住固体结构,使它不至于崩塌。不过,契史特勒和能利德首先用液态溶剂(他们用的是酒精)来取代水,因为液态溶剂比较好操控,但坏处是它也会蒸发。不过,契史特勒和能利德找到了解决方法:

“蒸发一定会导致胶体萎缩。但只要把胶体放到高压釜里,注入该液体并把温度提高到液体的临界温度之上,压力维持在蒸汽压以上,就能阻止液体蒸发,而胶体也不会因为表面毛细力而收缩。”

高压釜其实就是能加热的高压槽。釜内只要压力够大,胶体内的液体就算超过沸点也不会蒸发。至于契史特勒提到的毛细力,则来自液体的表面张力。契史特勒认为当液体因蒸发而流失,原本支撑住胶体的毛细力反而会把胶体撕裂。

但只要把胶体的温度提高到所谓的“临界温度”之上,使气体和液体的密度及结构相同,两者不再有任何区别,胶体内的液体就会直接变成气体,而不受蒸发的过程破坏。契史特勒写道:

“液体超过临界温度就会直接变为永久气体,中途没有断续。胶体不会‘知道’它里面的液体已经变成气体了。”

这个做法实在太天才了。胶体内新形成的气体受制于釜里的高压而无法挣脱,使得胶体内的固体结构得以维持。

“剩下要做的只是让气体散逸,留下体积不变的共聚气凝胶。”

直到这时,契史特勒才让气体慢慢散逸,完整保留了胶体内的固体结构,且骨架结构完全不变,从而证实了他的假说。那一刻肯定非常令人满足。但契史特勒还不肯罢手。胶体的固体结构非常轻盈、脆弱,大部分由空气组成,其实它就是泡沫。契史特勒心想,若胶体不是由明胶构成,而是更坚固的物质,固体结构或许就会更强韧。于是他选择了玻璃的主要成分,制造出了以二氧化硅为固体结构的胶体,接着再按先前的程序去除胶体中的液体,制造出了世界上最轻的固体:二氧化硅气凝胶。那年我在沙漠茧验室里惊鸿一瞥的东西就是它。

契史特勒仍不满足,又做了其他的气凝胶,并列在投稿的论文里:

“大家已经做出了二氧化硅、氧化铝、酒石酸镍、氧化锡、明胶、琼脂三氧化钨、硝化纤维、纤维素和卵白蛋白的气凝胶,而且这个名单似乎还能无限制扩展下去,没有做不到的理由。”

契史特勒虽然成功做出二氧化硅气凝胶,却还是忍不住做了卵白蛋白(也就是蛋白)气凝胶。因此,其他人是用蛋白制作蓬松的煎蛋卷和烤蛋糕,史特勒则是另起炉灶,用高压釜制作蛋白气凝胶,做出全世界最轻的蛋白霜。

二氧化硅气凝胶的外表非常诡异,放在暗色前会呈蓝色,放在浅色前却几乎消失不见。它虽然不像玻璃那么透明,却比玻璃更隐形、更难看见。光穿透玻璃时会微微偏斜,也就是折射。气凝胶的物质含量极少,因此光穿透时几乎不会偏折。同理,气凝胶的表面几乎不会反射光线,而且由于密度极低,所以没有明显的边角,实在不算是真正的固体,当然它确实是固体。气凝胶内的固体结构和泡沫的结构差不多,只有一点非常不同,就是气凝胶里所有的洞都连在一起。由于孔洞极多,二氧化硅气凝胶99.8%是空气,密度只约略大于空气的三倍,基本上等于没有重量。

(未完待续)

编者按:

气凝胶的诞生,源于伟大的创想和天才的创造。

自创立之日起,公海赌船555000aa官网秉承着Kistler的遗志,锐意创新、改进工艺、降低成本,研发出了具有独立自主常识产权的气凝胶产品。目前,公海赌船555000aa官网已分别在中国和美国注册“Kistler®”商标,以此来表达对气凝胶发明人的致敬。

公海赌船555000aa官网定将研发、生产出更多、更先进的气凝胶材料,不断推动气凝胶材料在航天、军工、交通、工业、建筑及民用等领域的广泛应用。

本文摘自《迷人的材料》,该书编辑为马克·米奥多尼克 (Mark Miodownik),译者为赖盈满。

马克·米奥多尼克为伦敦大学学院材料科学教授,英国皇家工程学会学士,曾入选《泰晤士报》评选的“英国百大影响力科学家”。

马克·米奥多尼克教授乐于为大众讲解材料科学,且广受欢迎,曾担任多部纪录片的主持人,包括英国广播企业(BBC)第二台制作的《发明的天才》。

《迷人的材料》一书,讲述了10种改变世界的神奇物质和它们背后的故事,该书曾获得2014英国皇家学会科学图书奖、亚马孙2014年科学类选书和《物理世界》2014年推荐最佳科普书。 

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