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巧克力带来的灵感:浇出一层聚合物外壳
熔化的巧克力在糖果上流淌,最终凝成一层光洁的外壳。现在,科学家们揭开了这个简单又迷人的过程背后的物理规律。
频道编辑:editor01 时间:2017-04-05

如何为糖果裹上一层漂亮又甜美的巧克力外壳?早在400年前,甜点师们就想出了一个十分简单有效的方法:他们将熔化的巧克力直接浇在糖果、点心上,任由它们慢慢流淌、凝固,最终就留下了一层光洁的巧克力外壳。咬开这些巧克力夹心糖的外壳还会发现,这样“自然生长”的外壳不仅外表平滑,厚度其实还相当均匀。

浇上巧克力,等待固化,就得到了一层巧克力外壳。原视频来自:MIT

这种简单又迷人的手段已经在厨房里存在了很久,但却很少有人将它和科学联系起来。巧克力外壳的厚度是被什么决定的,如何做出满足不同需求的外壳?巧克力师们虽然经验丰富,但却也说不清楚其中的影响因素。

而现在,麻省理工学院的佩德罗·雷斯(P. M. Reis)和他的同事们研究起了巧克力外壳背后的物理学。他们为“浇出”外壳的过程建立起了物理模型,这个公式适用于多种材料,而且还为各种聚合物“外壳”的制造提供了新思路。他们的研究结果发表在今年4月的《自然·通讯》 (Nature Communications)期刊上[1]

做一盘聚合物“夹心糖”

把巧克力搬进物理试验室听起来十分诱人,不过为了方便操控,研究者们还是选择了弹性聚合物硅橡胶(乙烯基聚硅氧烷和聚二甲基硅氧烷)来浇筑外壳。这些硅橡胶原料在发生聚合之前,室温下呈现粘稠的流体状态,而在固化剂的作用下,原料发生化学反应,产生交联变成固体,就会像巧克力壳一样发生凝固。

他们使用简单的倾倒法,将与固化剂配好的聚合物原料直接倒在半球或球形的模具(如金属球)上,通过改变各种动力学因素,包括聚合物的物理性能、模具尺寸、流体速度、以及聚合物固化的时间等,制作出大小不一、厚度不同的聚合物外壳,这些马卡龙色的“浇汁”外壳看起来似乎也相当美味。等聚合物外壳固化成型之后,他们就把外壳切开,从模具上剥离下来,用光学显微镜观察外壳质量,并测量了外壳的厚度。

替代巧克力走进实验室的聚合物外壳。图片来自参考文献1

外壳的厚度,由谁决定?

结果,研究者们发现,单是简单地倾倒就足以形成相当均匀的聚合物外壳。这层外壳的厚度与原料的用量以及倾倒的高度并无关联,真正影响它的则是原料的物理性质与模具的大小。

研究发现,流体粘度、模具尺寸与最终厚度成正比;而流体密度、重力加速度、以及固化时间与最终厚度成反比。这也就是说,当采用大模具、高粘度原料时,聚合物包裹模具花费的时间更长、流动更慢,因而最终形成的外壳也就越厚。而如果流动快、固化慢,多出来的材料就会从模具上流走,形成的外壳也就比较薄了。

模具尺寸影响着外壳的厚度。图片来自参考文献1

得到了“浇汁”外壳的公式,吃货的好奇心得到满足,我们也可以改进巧克力糖的食谱了。不过,做这项研究的意义当然不止于此。研究者们表示,倾倒“浇汁”实际上为材料加工提供了一种新的思路。用“浇汁”来给不同的产品加上所需的外壳,这种方法操作起来非常简单,不需要任何特殊设备,而且效果还相当不错。通过控制聚合物的固化时间,研究者们也实现了对外壳厚度的控制。这样的外壳包裹技术,在小到药物胶囊,大到飞机火箭上都能找到应用潜力。

目前,这项研究只涉及了圆形外壳。为了更好地满足实际所需,未来研究人员还将对椭圆形以及其它外形的外壳进行研究验证。将来,这种历史悠久的甜点技艺或许还能走进更多领域当中。(编辑:窗敲雨)

参考资料:

  1. Fabrication of slender elastic shells by the coating of curved surfaces
  2. http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-04/miot-hci040416.php

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