【Gene 愛聊科學】拿鐵咖啡為什麼不是漸層而是分層的物理學秘密

單單台灣一年就消費了上億杯拿鐵咖啡,沒想到一個小小的巧思和打破沙鍋問到底的好奇心及求知慾,還是讓一個再日常不過的事物有了令人嘖嘖稱奇的新奇科學發現!
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拿鐵咖啡(caffè latte)是諸多義大利式的咖啡中的一種,泛指由熱鮮奶和濃縮咖啡所沖泡,是一種頗受歡迎的義式咖啡。把鮮奶倒入咖啡杯時,咖啡師通過手腕些微的動作便能在杯中的奶泡上畫出各種圖案(拉花,Latte Art)。

製作拿鐵咖啡有個常識,如果想製作一杯漂亮的拿鐵咖啡,應該把牛奶倒入義式濃縮咖啡中,而不是反過來。但是反過來會發生啥事呢?這會做出另外一種拿鐵咖啡:分層拿鐵咖啡(layered latte)。要製造分層拿鐵咖啡,就是把義式濃縮咖啡倒入一杯牛奶。

泡一杯拿鐵,出現一個研究

美國俄勒岡州波特蘭的一位退休工程師 Bob Fankhauser 意外地在家中創造出自己的分層拿鐵咖啡,並且想知道為什麼這些漂亮的分層會形成。Fankhause 認為這是一個非常有趣的科學現象,因為沒有什麼顯而易見的原因讓液體應該組織成不同的密度層 [1]。

Fankhauser 發送了一封電子郵件把他意外弄出分層拿鐵咖啡的照片給了在美國普林斯頓大學研究流體力學的化學工程學家 Howard Stone,並鼓勵他們對此進行深入研究。這個從流體的混亂,最初的傾倒和混合演變成一個非常有組織、明顯的分層,對流體力學家來說有比味蕾和美學上更大的科學吸引力。

他們發現,任何人都可以在家裡嘗試這種方法,而且想創造分層果凍的廚師或者開發合成人體組織的生物工程師可能會發現這是很實用的;他們的研究也能夠幫助更好地解釋地球廣闊海域中的熱量和鹽度依賴性水流是怎麼回事,這一現像在氣候學和生態學中具有重要意義;從工業產品製造的角度來看,單一澆注技術比分層產品中傳統的層疊技術要簡單得多,因此他們想要探索一步完成整個分層結構的物理過程 [2]。

搞懂液體的分層原理為什麼很重要?

Stone 和博士生薛楠等人用一組 LED 燈和相機捕捉分層的過程,觀察到當咖啡倒入加熱的牛奶時,會有稱為雙擴散對流(double-diffusive convection)的現象,在液體中產生不同的密度層。他們用自己的義式濃縮咖啡和牛奶重新製作拿鐵咖啡後,發展出了一個模擬的飲料,把加熱染色的淡水注入密度更高的加熱鹽水中,裡頭含有能夠散射綠色雷射光束的粒子,混合以測試使這種自發分層成為可能的科學參數。他們再進行模擬以所收集的資料,用以比較不同系統的各種模型 [3]。

他們發現,把熱咖啡以一定的速度倒入熱牛奶中,會引起溫度和密度之間的相互作用,導致飲料分成不同密度的分層。被稱為雙擴散對流的相同基本現象在海洋中形成水層。含有不同濃度的鹽水俱有不同的密度,就像拿鐵咖啡中的濃縮咖啡和密度更高的牛奶一樣。

當液體試圖混合時,溫度梯度導致一部分液體升溫,變得更輕並上升,而另一個密度更高的部分則下沉。當一杯拿鐵中某個區域的局部密度接近平衡時,這種下沉和上升的運動就停止了。結果,流體必須水平流動,而非垂直流動,從而形成不同的分層。

做出分層拿鐵的秘訣是什麼?

如果濃縮咖啡倒入牛奶的速度太慢,密度更高的流體將會和密度低的混合得過於均勻,就作不出分層拿鐵咖啡。較快的傾倒速度使得密度更高的流體衝擊密度更低的流體,並在建立密度均衡時引發快速運動,達到預期中的分層。

即使有一個溫和的攪動,例如啜飲一層,分層還是會形成並保持幾分鐘、幾小時,甚至好幾天。只要拿鐵咖啡的溫度比周圍的空氣溫度高,攪拌就會產生另一個密度梯度,與倒入濃縮咖啡產生的密度梯度相似。但拿鐵咖啡達到室溫後再攪拌,分層就會永別。他們將研究的發現發表在《自然通訊》(Nature Communications)中。

單單台灣一年就消費了上億杯拿鐵咖啡,沒想到一個小小的巧思和打破沙鍋問到底的好奇心及求知慾,還是讓一個再日常不過的事物有了令人嘖嘖稱奇的新奇科學發現!

參考文獻:

1. JOANNA KLEIN. How Layers in a Latte Form. New York Times. DEC. 12, 2017.
2. Princeton University, Engineering School. "Coffee physics: Layering in cafe lattes yields insights for engineering, medicine and environment." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 December 2017. 
3. Nan Xue, Sepideh Khodaparast, Lailai Zhu, Janine K. Nunes, Hyoungsoo Kim, Howard A. Stone. Laboratory layered latte. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01852-2


【圖解】電動車風潮席捲全球,TOYOTA PRIUS PHV 才是最適選擇!

當全世界都在鼓吹電動車之際,其實從現代人的用車習慣、造車技術、環保角度而言,許多車廠並沒有告訴你:「插電式油電複合動力車」才會是現況最適合的選擇。
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時至科技迅速發展的今日,人們享受由科技所帶來的便利生活,但同時也帶來了破壞環境和影響健康的負面效應。加上天然能源並非取之不盡,近年來汽車產業吹起了一股電動車風潮,全世界的主要國家也為了降低碳排放而推廣電動車。但從現代人的用車習慣、造車技術、環保角度來看,電池電動車是否真為現階段的最佳解答?

先從種類談起:多元化電動車款 HEV/PHEV/BEV 介紹及比較

說到電動車,除了純電動車外,其實電動車種類繁多,油電複合動力車、插電式油電複合動力車的差異在哪?哪個適合你?以下從「電力驅動比例」來介紹,相當簡單易懂。

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油電複合動力車(HEV):

「油」與「電」並行的驅動策略,引擎產生剩餘動力可轉為電能儲存,低速可以電能驅動,無法從外部充電,長短程移動皆適用,相對傳統燃油車油耗更佳。

插電式油電複合動力車(PHEV):

架構類似於油電複合車(HEV),電池規格加大,可使用通用規格充電樁與隨附充電線針對電池充電,短程移動可採用純電模式,長程移動則為油電並行,長短程移動皆適用,沒有如電池電動車(BEV)般的里程焦慮問題。

電池電動車(BEV):

完全電力驅動,由外部充電樁充電,受惠電力驅動特性,享有純電駕馭快感,但須考慮充電便利性。

電池電動車才環保?答案並非絕對

相對傳統內燃機汽車而言,電池電動車於行駛過程中雖然是零碳排,但車輛的環保與否,更需廣義的從產品的生命週期評估(Life cycle assessment,LCA),也就是從原物料開採、生產製造、行駛過程、回收過程的整體生命週期的總碳排量來計算。目前無論哪一款電動車,都不可能在生產過程時達到零碳排表現,且電動車上最高成本的電池組,不僅製造時需要使用稀有金屬,提煉過程本身更需要大量化學藥劑,且老廢電池回收亦可能造成環境污染。廣義討論而言,當前的電池電動車絕非零碳排與絕對環保的代表。

因此除了上述的生命週期評估,同步考量當前發電結構、充電設施普及率、用車習慣等問題,插電式油電複合動力車(PHEV)會是更好的解答。插電式油電複合動力車(PHEV)將電力驅動輔助比例放大,純電行駛里程增加,短程通勤可以純電行駛,長途移動則可油電並行,又無里程焦慮,絕對是當前兼具節能環保與便利性的推薦選擇。

銷售王來示範,PHEV 就應該要這樣

TOYOTA 一直以來是 HYBRID 油電車款的領導品牌,開賣至今已銷售超過 1,700 萬輛,不管是其油電複合動力車(HEV)或是更先進的插電式油電複合動力車(PHEV)的熱銷,無疑就是最佳印證。其中逐漸成為銷售主流的 TOYOTA PRIUS PHV 車款,成為經濟務實又節能環保的最佳代言人。

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TOYOTA PRIUS PHV 採用油電驅動系統,「油」的部分搭載高效能汽油引擎,採用 Atkinson 循環設計與 VVT-i 連續可變汽門正時控制系統讓引擎更具效率;「電」的部分則搭載雙馬達驅動系統,位置設置於引擎室下方,並有設置於後廂底板下的高效能鋰電池、位於後座下方的高效率車載充電器、設置於引擎室內的 PCU 動力控制模組等架構。

動力來源除了從油箱提供引擎燃油進而作動產生驅動力以外,電池則提供電力來驅動電動馬達作動。按下 EV Mode 車輛可以完全以電力驅動,而在一般狀態下引擎與電動馬達會透過 PCU 模組來管理以最高效能相互運用。除了引擎輸出超出駕駛需求會回充高效能鋰電池以外,也可利用外部充電來為鋰電池充電。

也因此 TOYOTA PRIUS PHV 車身上有兩個「油箱蓋」,左側為加油使用,右側則為充電使用。值得一提的是,PRIUS PHV 只要使用標配隨附的隨車充電線,即可使用一般的 110V 家用插座充電,且純電行駛里程可達 64km*註1,相當適合日常生活通勤使用;此外, PRIUS PHV 純電行駛最高極速可達 135km/h,結合油電模式的特性,適合長途行駛與遠程旅行,更可讓 PRIUS PHV 有著高達 109.9km/l*註2的平均油耗,達成傳統內燃機汽車或油電複合動力車(HEV)無法企及的節能表現。

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PRIUS PHV 擁有極具未來感的造型,相當流線的車身造型與具有良好空氣力學的雙曲面後擋風玻璃帶來了低風阻優勢,更配備了鷹眼式 LED 頭燈及飛翼式 LED 光條尾燈,為其賦予了更吸睛的靈魂。

立基於 TNGA 底盤基礎,PRIUS PHV 擁有輕量化高剛性的車身架構,給予絕佳的行駛穩定性以及安全防護能力,也為座艙內帶來相當寬敞的空間基礎。不僅前後排駕駛與乘客都可以擁有寬裕與舒適的乘坐空間,標準乘坐狀態下後行李廂可擁有媲美小休旅車的 360 公升置物容積,實用性毋庸置疑。

PRIUS PHV 旗艦版的座艙內中控台更配備了 9 吋 4G 旗艦主機,利用 4G 網路的連結,給予了 24H 愛車守護/一鍵救援/智慧導航等便利功能,搭配 Apple CarPlay & Android Auto智慧手機連結,以及 Qi 無線充電座*註3,完美接軌現代人習慣的科技生活。

PRIUS PHV 新增尊爵版車型,不僅享有等同於 HEV 車型的親民售價,且同步標配 TSS 2.0 安全科技,如 ACC 主動式車距維持系統(含 Stop & Go)、PCS 預警式防護系統、 LTA 車道循跡輔助系統等等全數搭載,讓更多喜愛節能與著重安全的消費者可以輕鬆入主。

台灣目前最合適的節能車選擇,加入油電革新行列——TOYOTA PRIUS PHV

總結以上,從環保角度來看,以台灣目前的用車環境與發電能源結構來說,油電複合的 HEV 或是 PHEV 車款,會是比較符合使用需求和節能的作法。尤其插電式油電複合動力車(PHEV)不僅可銜接當前油車使用習慣,還可最大化運用電力降低碳排放,可以說是在燃油與電力的使用之間,達到最佳的平衡。

若要在茫茫 PHEV 車款中,找到兼具環保節能、價格優勢、智慧內裝、卓越駕駛體驗者,那麼從 TOYOTA PRIUS PHV 車款入手絕對錯不了。高效能的油電雙驅動,只要使用一般家用 110V 插座即可充電;加上未來感十足的流線車身外型、舒適寬敞與安全穩定兼備的座艙結構,由裡到外帶給消費者最新的科技體驗;可連結智慧應用程式的旗艦主機,與時代接軌不落人後。加入油電革新、淨化未來的行列,且當前 TOYOTA PRIUS PHV 更推出空前優惠的尊爵版車型,汰舊換新震撼價只需 99.9 萬元,僅限量 30 輛,且享有與 TOYOTA 所有 HYBRID 車款一樣的 HYBRID 電池 8 年或 16 萬公里保固服務。TOYOTA PRIUS PHV 不愧為當前最平衡、兼具環保及便利的用車選擇。

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註1:純電行駛里程及純電最高時速係於電量充足且啟用電動模式(EV Mode)之情形下於實驗室測得。公告資料係依據歐盟 1999/100/EC 指令及後續修正指令之標準測試程序測得。本車型為插電式油電複合動力車,平均油耗測試值係為馬達電能(滿電狀態)與汽油引擎之效率綜合計算而得。本標示之測試值係在實驗室內,依規定的行車型態於車體動力計上測得。實際道路行駛時,因受天候、路況、載重、使用空調系統、電池充電狀態、駕駛習慣及車輛維護保養等因素影響,其實際值可能與測試值有所差異。詳情請參閱經濟部能源局網站。

註2:實際道路行駛時,因受天候、路況、載重、使用空調系統、駕駛習慣及車輛維護保養等因素,其實際值可能與測試值有所差異。

註3:9 吋 4G 旗艦主機、Qi 無線充電皆為 TOYOTA PRIUS PHV 旗艦版專屬配備。