苏格兰威士忌酒环之谜已解开 [幻灯片]

一位摄影师的好奇心如何引发了对二元液体流体动力学的新科学见解

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厄尼·巴顿从不是威士忌饮用者,但他的妻子喜欢这种东西。因此,为了培养他的味觉,这位常驻凤凰城的摄影师开始品尝从混合麦芽到单一谷物的所有威士忌。在他的美食之旅中,他不仅沉醉于啜饮琥珀色液体,也沉醉于拍摄它。

然而,他的拍摄对象不是两指宽的倒酒量,而是留在杯底的干燥液滴,正如他在一天早上装洗碗机时发现的那样,这些液滴在其蒸发后的痕迹中留下了错综复杂的蕾丝状图案。

摄影兴趣被激发后,巴顿开始尝试不同的苏格兰威士忌、威士忌和波旁威士忌,看看他能从这些烈酒的残留液滴中诱导出什么样的图案。他没有对图像进行photoshop处理,而是使用不同组合的彩色灯光来突出蒸发液体留下的起伏。他发现,任何陈年苏格兰威士忌或美国或爱尔兰威士忌都会留下复杂图案的环,但私酿酒和白威士忌不会。他测试的其他酒精,包括干邑和葡萄酒,也不会。


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随着发现不断涌现,他的作品集不断增长,一个问题开始困扰着巴顿:为什么会出现这些环?当谷歌未能提供解释时,他决定尝试专家。首先,他联系了一位研究所谓咖啡环效应的研究人员,在这种效应中,含有单一液体成分(如水)的蒸发液体会沉积少量溶解的固体(如咖啡渣)。但与咖啡不同,威士忌是二元液体,由约60%的水和40%的乙醇组成。咖啡环效应背后的科学并不适用。

因此,巴顿联系了普林斯顿大学机械与航空航天工程学教授霍华德·斯通,他的名字在搜索“艺术”和“流体 mechanics”时弹出。令摄影师惊讶的是,斯通很快同意进行调查。“这是我的性格:我不容易忽略电子邮件,”他说。“而且,这听起来很有趣。”

斯通招募了他的博士后,他们在空闲时间开始研究这个问题。首先,他们创建了一种威士忌替代品,由酒最基本的成分水和乙醇,以及一些微米级颗粒组成,以揭示蒸发后的最终沉积模式。(一微米是百万分之一米,或约四千万分之一英寸。)“如果你想了解机制,你必须把它拆开,”斯通说。“所以我们系统地拆开了威士忌。”

然后,研究人员使用视频显微镜检查了水-乙醇溶液的蒸发过程,但他们发现没有出现复杂的图案。接下来,他们添加了少量聚合物表面活性剂——一种降低液体表面张力的化合物,例如位于水和空气界面之间的肥皂或油层。表面活性剂促成了一种称为马兰戈尼效应的现象,在这种现象中,液体的蒸发流动是由表面张力的变化驱动的。但图案仍然没有出现。因此,他们又添加了一种聚合物。事实证明,最后添加的这种聚合物是关键: elusive whisky ring–like pattern 最终形成。“我们认为颗粒沉积受制造过程中添加的少量聚合物成分调节,”斯通说。“例如,来自桶的木质材料可以作为这些成分。”他补充说,如果没有类似严格的研究,就不可能知道为什么巴顿测试的其他酒精不会留下自己复杂的沉积图案。

“希望我们为厄尼开始的美丽故事增添了一点色彩,”斯通评论道。除了阐明是什么驱动了环的形成之外,斯通还认为他小组的研究结果——于 11 月 24 日在旧金山举行的美国物理学会流体动力学分会会议上公布——将有助于科学界理解二元液体颗粒沉积。

至于巴顿,他说他的好奇心已经得到满足:“我甚至从未与斯通博士通过电话交谈或亲自见过他,但他非常友善地解答了我的问题。他团队的发现确实有助于提供一些清晰度。”

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