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包軸現象

生活科學趣談

插根筷子在麥芽糖中旋轉時,可以看見麥芽糖沿著筷子往上爬的現象

也來看看其他具有這種效應的流體:1.關華豆膠(一種使用於冰淇淋中的增稠劑)+硼砂水溶液  2.麵粉糊+蛋白  3.白膠+硼砂水溶液

為什麼它們會違反重力而沿著旋轉軸往上爬呢?先來看水的狀況:

由於離心效應,水面是呈現中央下凹的拋物面,這是因為旋轉的物體需要向心力的機制所造成(可參考→杯中茶葉何去何從)。因此將水溶液繞圈攪拌時,水應該是向外往遠離旋轉軸的方向移動而形成中央凹下的漩渦。

至於這種包軸現象Weissenberg Effect,有蠻多科普文章採用非牛頓流體脹流性(切力增稠)來解釋,而其中最常被拿來演示這種脹流性的物質則是玉米澱粉漿↓

或許各位曾留意過這種現象:在海邊漫步時,當潮水退去而下一波海浪還沒打上來之前,赤腳走在這些被浸濕的沙灘時,腳所踩的地方會瞬間乾掉↓

weissenbergeffect2

這種含水的海沙就是屬於脹流體,當這類流體在靜止時,其中的砂粒處在堆砌得很緊密的狀態,砂粒間空隙很小並充滿海水。若作用在其上的剪力很大或者剪切速率很快的時候,砂粒的移動速度變快,粒子彼此碰撞的結果造成孔隙變大,系統的外觀總體積隨之增大。接著表層的海水向下填入這些變大的孔隙中,於是表層的沙子就會瞬間變乾

這種脹流性質能完美解釋麥芽糖的包軸現象,因為膨脹的體積會受到外圍幾乎靜止的麥芽糖之擠壓,於是只能往中央膨脹,表現出來就是麥芽糖往上爬了。這種論點廣見於各科普文章中,但重點是→麥芽糖屬於牛頓流體(註:漿體剪應力與剪應變率關係之量測 p34~p36)。加上玉米澱粉漿這種典型的脹流性非牛頓流體經過實驗證實,它並不具有爬竿的效應(反而是洗髮精爬了約一公分高度),因此使用脹流性來解釋在這二個例子中似乎站不住腳。

那麼真正的原因到底是什麼呢?回來看前面的實驗:1.關華豆膠+硼砂水溶液  2.麵粉糊+蛋白  3.白膠+硼砂水溶液,為什麼要添加硼砂?各位唸中學時可有製作過”磁力怪”?

或者在小學時是否曾玩過”史萊姆 slime”?(這種玩具可拿來清理鍵盤上的污垢

這則影片在攪拌的過程中,很明顯出現了slime向上爬的包軸現象,BINGO!所以Weissenberg Effect的機制應該是來自於化學的交聯作用,而不是物理的剪力脹流所導致的現象。那麼既然是肇因於交聯作用,麥芽糖也能爬竿又是怎麼一回事?嗯…好問題!我使用的這一罐麥芽糖是以糯米與麥芽熬煮而成(請參見:發酵的科學5),麥芽糖的黏性來自於其中的糊精(澱粉的不完全水解產物),它所扮演的角色就是高分子增稠劑,如同關華豆膠或白膠一樣。而slime中扮演交聯劑的硼砂水溶液,在麥芽糖裡就是由麥芽糖來擔任。當糊精與分子量較小的雙醣(麥芽糖)相遇時,麥芽糖可以在長鏈狀的糊精分子間形成氫鍵,進而發生交聯作用,增進了此混合物的黏性,這種交聯作用於是能把糊精一個接一個串在一起而拉了上去。

結論:知易行難 VS. 知難行易,做人處事是前者,做學問則是後者!『做學問要於不疑處有疑,待人要於有疑處不疑』- 胡適