為什么別人用咖啡和威士忌都能發(fā)文章呢？
咖啡環(huán)效應(yīng)，是指當(dāng)一滴咖啡或者茶滴落在桌面上時(shí)，其顆粒物質(zhì)會(huì)在桌面上留下一個(gè)染色污漬。該污漬邊緣的顏色比中間更深，形成環(huán)狀斑的現(xiàn)象。1997年，芝加哥大學(xué)Deegan等認(rèn)為“咖啡環(huán)”效應(yīng)的產(chǎn)生是由于液滴邊緣蒸發(fā)速率大于中心蒸發(fā)速率，導(dǎo)致液滴內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)向外的毛細(xì)流動(dòng)，將懸浮的粒子帶至液滴邊緣沉積成環(huán)。相關(guān)論文以“Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops”于1997年發(fā)表在《Nature》上。該實(shí)驗(yàn)表明，我們其實(shí)可以改變顆粒的形態(tài)就可以將其消除，這就是從顆粒的本質(zhì)上著手，達(dá)到消除的效果，這為涂料工程師提供了一種新方法。
威士忌（Whisky、Whiskey）是一種由大麥等谷物釀制，在橡木桶中陳釀多年后，調(diào)配成43度左右的烈性蒸餾酒。英國(guó)人稱之為“生命之水”。按照產(chǎn)地可以分為：蘇格蘭威士忌、愛爾蘭威士忌、美國(guó)威士忌和加拿大威士忌四大類。美國(guó)威士忌是一種蒸餾而成的烈酒，瓶裝時(shí)的ABV（alcohol by volume）不低于40%。美國(guó)威士忌包括有各種各樣的威士忌酒，如波旁威士忌，黑麥威士忌，和小麥威士忌等，它的主要特點(diǎn)就是在糖化過程混合了谷物以增加口感。在發(fā)酵過程中，由副反應(yīng)形成的同源物（congeners）次級(jí)產(chǎn)物決定了最終威士忌的口感。同源物包括酚類、芳香類、酯類、醛類等。在威士忌的儲(chǔ)藏過程中，木頭的成分會(huì)不斷地被液體萃取，且威士忌中不同的有機(jī)質(zhì)之間不斷發(fā)生反應(yīng)。美國(guó)威士忌區(qū)別于其他威士忌的地方就在于陳釀過程中使用的新的橡樹桶。新橡樹桶使得美國(guó)威士忌的固體含量更高。
那么，除了這些，還有什么不同呢？對(duì)于一個(gè)化學(xué)系不會(huì)品酒的小編該怎么去區(qū)分呢？不用急，美國(guó)路易斯維爾大學(xué)Stuart J. Williams團(tuán)隊(duì)呈現(xiàn)給我們一種識(shí)別美國(guó)威士忌的方法。他們的研究以題為“Multiscale Self-Assembly of Distinctive Weblike Structures from Evaporated Dilute American Whiskeys”的文章在權(quán)威期刊《ACS Nano》上發(fā)表。
【怎么發(fā)現(xiàn)的呢】
作者將易揮發(fā)的美國(guó)威士忌的液滴蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)液滴蒸發(fā)后會(huì)留下有層次的網(wǎng)狀圖案，并將之稱為“whiskey web”。不得不說作者的觀察真仔細(xì)。
在這里我們展示下作者多種多樣的“whiskey web”圖案。作者將各種已有的威士忌產(chǎn)品稀釋，使得酒精含量保持在20-25 vol.%之間，再將液滴干燥，便可以得到直徑大約2mm的圖案。
再回到威士忌本身，威士忌所含的許多有機(jī)成分都是兩親性的和溶于乙醇的。用水稀釋威士忌以后會(huì)導(dǎo)致兩親性分子聚集成納米維度的團(tuán)聚體，如圖所示，作者用丁達(dá)爾效應(yīng)證明了納米聚集體的形成。
【究竟是怎么形成的呢】
作者首先探索了這種結(jié)構(gòu)究竟是在底板上還是在液-氣界面形成的。
手動(dòng)聚焦會(huì)發(fā)現(xiàn)，液滴表面形成一層液膜，表明結(jié)構(gòu)是在液-氣界面形成的，意味著單分子層的形成和塌陷。如圖所示，1 min時(shí)的初始圖像是軸對(duì)稱的；4分鐘時(shí)，隨著單分子層膜的坍塌，反射變得扭曲；單分子層不斷地在液滴表面塌陷，一旦液滴完全蒸發(fā)（9 min時(shí)），這些特征就更加明顯了。
側(cè)面圖可以很清晰地看出蒸發(fā)過程中的界面變形，也能說明在液-氣界面逐漸產(chǎn)生一個(gè)不均勻的力。
在whiskey web形成期間，流動(dòng)相和單分子層自組裝的示意圖。(a)第一個(gè)階段的特征是不穩(wěn)定，乙醇分子被驅(qū)動(dòng)到液-氣界面，改變了單分子層的形成和成分；(b)在蒸發(fā)過程中，液滴的界面面積逐漸減小，單分子層膜發(fā)生坍塌。
當(dāng)威士忌在15-25% ABV的范圍內(nèi)被稀釋時(shí)，就可以形成whiskey web。當(dāng)稀釋后的酒精濃度小于10 vol.%時(shí)，就會(huì)形成咖啡環(huán)（a），但發(fā)酵太久的美國(guó)威士忌卻不能形成咖啡環(huán)（b）。隨著溶質(zhì)濃度的上升，就會(huì)抑制咖啡環(huán)的形成。酒精濃度上升降低單分子層塌陷的原因包括：
1. 在酒精濃度不斷上升的過程中，更多的化學(xué)物質(zhì)會(huì)溶解，單分子層更具有流動(dòng)性，減少了發(fā)生的塌陷的可能；
2. 高濃度的酒精降低了水的表面積，一旦酒精揮發(fā)，就會(huì)降低剩余的溶液上的單分子層的塌陷概率；
3. 之前對(duì)威士忌酒中的化學(xué)活性的研究表明，團(tuán)聚體濃度越高，揮發(fā)性越低。以上說明了能夠形成whiskey web需要特定的化學(xué)組成和酒精濃度。
下圖表明每種同源物都會(huì)以一種特有的方式影響形成的whiskey web的結(jié)構(gòu)。但預(yù)測(cè)威士忌中的同源物是怎么影響單分子層塌陷的還具有一定的難度?；瘜W(xué)均勻單分子層膜的坍塌行為與非均勻單分子層膜的響應(yīng)不相關(guān)。目前仍需大量的實(shí)驗(yàn)來確定同源物的特定組合對(duì)單分子層形成和坍塌過程的影響。也許再多喝一點(diǎn)就會(huì)有奇思妙想了呢。
最后作者將所測(cè)試的威士忌液滴蒸發(fā)所形成的圖像進(jìn)行分析。他們將顯微鏡觀察到的圖像利用徑向?yàn)V波器轉(zhuǎn)換為二值圖像，便于今后利用人工智能開發(fā)出識(shí)圖辨酒的程序。
