【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

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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


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