核心概念
化学
凝胶
分子
溶液
引言
你是否曾想过凝胶是如何制成的？你家周围可能有很多种使用了凝胶的产品——有些是你吃的——比如布丁、尿布、鞋垫、包装、冰淇淋、牙膏等等。
凝胶是悬浮在液体中的固体颗粒的混合物。凝胶中的固体颗粒可以吸收水分，导致凝胶膨胀并体积增大。如果你曾经把尿布浸在水桶里，你就会看到这种情况；尿布会因吸收水分而膨胀，如果你把尿布剪开，你会看到吸收水分的凝胶块。凝胶的这些特性使其在各种用途中非常有用。你能想到凝胶可以帮助做什么吗？
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背景
凝胶非常常见，因为它们用途广泛——不仅在家庭中，而且在科学中也是如此。在家里，你可能还会发现凝胶存在于：护膝、果冻、自行车座、斯登诺燃料、空气清新剂、头发产品、冷敷袋、玩具和医药凝胶胶囊中。在医学领域，生物凝胶——含有药物的凝胶——正在被研究，它们可以用于身体修复或输送药物。凝胶，特别是气凝胶，已被用于太空探测器收集星尘并将其送回地球进行研究。甚至还设计了用于清理放射性污染的凝胶。
可以使用玉米淀粉和水制作简单的凝胶，改变比例会改变其特性。玉米淀粉，顾名思义，是从玉米中提取的淀粉。淀粉是一种常见的碳水化合物，由许多键合的葡萄糖（一种糖）分子组成。它由大多数植物制造，用作能源。当加入水并加热时，葡萄糖分子之间的一些键会断裂，淀粉会发生“糊化”，这意味着，你就拥有了自己的自制凝胶！
材料
• 玉米淀粉
• 水
• 量勺和量杯
• 两个搅拌棒或叉子
• 两个微波炉安全碗
• 微波炉
• 烤箱手套或小毛巾
• 蜡纸
• 平坦坚硬的表面（如厨房台面）
• 废纸和笔（可选）
• 坐标纸（可选）
准备工作
• 在一个碗中加入三分之一杯和三茶匙（或一汤匙）水。在同一个碗中加入一茶匙玉米淀粉。这个碗现在包含 5% 的玉米淀粉。
• 在第二个碗中加入三分之一杯水。在同一个碗中加入四茶匙（或一汤匙和一茶匙）玉米淀粉。这个碗包含 20% 的玉米淀粉。
• 每个碗的总容量应相同。记录哪个碗是哪个。你可能想用一张废纸和笔制作小标签。
• 微波加热凝胶时要格外小心。当你加热凝胶时，它可能会过热并导致烧伤。
步骤
• 彻底搅拌每个碗（每个碗使用不同的搅拌棒）。5% 和 20% 的玉米淀粉溶液看起来和感觉有什么不同或相似之处？
• 在微波炉中用高火单独加热每个碗，总共加热一分 30 秒。具体方法是，先将每个碗加热 30 秒，然后停止微波炉并搅拌碗，接着再加热 30 秒，再次搅拌，然后最后加热 30 秒。搅拌和处理碗时要小心，因为凝胶可能会过热。
• 使用烤箱手套或小毛巾小心地从微波炉中取出每个热碗。取出后搅拌每个碗的内容物。每个碗中的玉米淀粉溶液发生了什么变化？当你搅拌时，每个溶液的外观和感觉如何？
• 让溶液冷却至室温，然后再触摸它们，因为它们会非常热。它们可能需要五到十分钟才能冷却。当它们冷却时，你注意到任何其他变化吗？
• 当溶液冷却至室温时，用手指触摸它们。与 20% 的溶液相比，5% 的溶液感觉如何？
• 在平坦坚硬的表面上铺一块蜡纸，小心地将凝胶溶液一次一个地放在蜡纸上，让每个凝胶散开。如果你想量化每个凝胶散开的程度，可以在将凝胶溶液放在蜡纸上之前，在蜡纸上铺一块坐标纸。
• 让凝胶静置约五分钟。与 20% 的溶液相比，5% 的溶液散开了多少？这两个溶液还有哪些相似或不同之处？
• 如果你使用了坐标纸，你可以在凝胶停止散开后沿着它们画线，并计算出线条内有多少个方格。哪个溶液覆盖了更多的方格？它多覆盖了多少个方格？
• 额外尝试：淀粉可以来自许多不同的来源，如玉米、土豆、大米和木薯。在本活动中，你使用了玉米淀粉，但你可以尝试使用其他种类的淀粉进行此活动。使用不同的淀粉是否能得到相似的凝胶？
• 额外尝试：凝胶可以用许多不同的材料制成，如明胶、琼脂、尿布填充物、木薯、海藻或果胶。你可以尝试用这些不同的材料制作凝胶。用不同材料制成的凝胶有什么不同？它们有什么相似之处？ 观察和结果
在微波加热之前，20% 的玉米淀粉溶液是否比 5% 的溶液不透明、更白、更难搅拌？微波加热后，两种溶液都变得透明了吗？20% 的溶液是否比 5% 的溶液浓稠得多？冷却后，20% 的溶液是否比 5% 的溶液散开得少得多？
玉米淀粉由许多葡萄糖分子组成，特别是支链淀粉和直链淀粉。当淀粉与水一起加热时，淀粉颗粒会膨胀并破裂，导致它们分解并将葡萄糖分子释放到水中。因此，淀粉分子与更多的水相互作用，增加了溶液的随机性。这个过程被称为糊化。当加热的玉米淀粉和水溶液冷却后，直链淀粉分子可以再次相互结合，形成分子网。直链淀粉分子越多，网就越坚固或更粘稠。加热后，与 5% 的玉米淀粉溶液相比，具有更多淀粉的溶液（如 20% 的玉米淀粉溶液）会更坚固和粘稠。由于它的粘度更大，20% 的溶液冷却后散开的程度将远小于 5% 的溶液。使用不同的淀粉可以制作出不同的凝胶，因为淀粉的稠度会随着组成它们的直链淀粉和支链淀粉的比例而变化。
你可以用你的凝胶做什么？
玉米淀粉和水在室温下混合时也会获得有趣的特性。尝试“它是一种固体……它是一种液体……它是奥勃力克！”活动，用这些简单的成分获得更多的科学乐趣。
清理
含有玉米淀粉的溶液可能非常粘稠且脏乱。20% 的玉米淀粉凝胶应堆肥或扔进垃圾桶。5% 的溶液可以扔掉，也可以用水稀释后冲入下水道。
更多探索
“滴落粘液的页面”，来自《你可以在厨房里做的奇异东西》
伦敦南岸大学的马丁·卓别林撰写的“水的结构和科学”
来自 HowStuffWorks, Inc. 的“培乐多塑形化合物的工作原理：淀粉化学”
来自科学伙伴的“你凝胶了吗？”
来自大众科学的“它是一种固体……它是一种液体……它是奥勃力克！” 本活动由科学伙伴合作推出
编者注（2022 年 10 月 24 日）：这篇文章在发布后进行了编辑，以更正关于直链淀粉的描述。