Lailai朱, 博士后研究人员, 霍华德·斯通教授, 珍妮Nunes, 博士后研究人员, 和薛楠, 研究生.

咖啡物理:在café拿铁咖啡中分层可以产生工程、医学和环境方面的见解

12月. 13, 2017, 11:47 a.m.

霍华德·斯通教授实验室的研究人员检查了café拿铁,以更好地了解分层液体. 这些发现为分层材料的工程和制造提供了见解. From left: Stone; 珍妮Nunes, 博士后研究人员; Lailai朱, 博士后研究人员; 和薛楠, 研究生.

如果有人对café拿铁咖啡中色彩丰富的咖啡层感到惊讶,你并不孤单. 365bet体育的研究人员, 同样感兴趣, 现在已经揭示了当浓缩咖啡倒入热牛奶时,这种分层结构是如何形成的.

“拿铁咖啡的结构形成令人惊讶,因为它是从混乱演变而来的, 初步倒入和混合的液体非常有组织, 层次排列明显,南雪说。, 12月12日. 12 他在《BET体育在线官网》杂志上描述了这一发现,他是哈佛大学实验室的一位研究生 霍华德的石头,唐纳德·R. 迪克森69年,伊丽莎白W. 迪克森教授 机械与航空航天工程 在365bet体育.

通过液体相互流动来产生受欢迎层的珩磨技术可以在一系列应用中降低成本和复杂性. 

“从制造业的角度来看, 在分层产品中,单一浇注工艺比传统的分层顺序堆垛简单得多,斯通说. 在这项研究的一个应用中, BET体育在线官网正在探索一步制作整个分层结构背后的物理原理, 而不是一层一层的叠加.”

这个研究项目的灵感来自于一个不请自来的, 通过电子邮件发给斯通的分层咖啡饮料图片. 在开始他的研究生工作时,薛之谦正在寻找一个项目, 他最初通过在实验室准备拿铁来研究这个概念, 使用商店购买的咖啡和牛奶.

几次尝试后, 薛雪峰清楚地意识到,只能在一定的范围内, 比如温度和浇注速度, 有特色的café拿铁. 这些努力暗示了潜在的问题, 它的液体结构形成必须涉及到可量化的物理.

更精确地控制他们的拿铁分层模型, 薛和他的同事们选择了一个会让咖啡师不寒而栗的替代配方:用染色的水代替热咖啡, 、咸, 热牛奶需要更浓的水.

然后,发光二极管面板和摄像机照亮并捕捉液体在混合物中的运动. 研究人员在混合物中添加了示踪颗粒, 哪个绿色激光束散射了光, 进一步追踪人造拿铁的内部动态, 一种叫做粒子图像测速的技术. 最后, 通过数值模拟,将收集到的数据与各种混合液体演化系统模型进行了比较.  

综合分析表明,分层背后的主要机制是一种称为双扩散对流的现象. 它发生在不同密度的流体堆积时, 在重力的作用下混合它们的物质, 通过它们的组成物质的运动来交换热量. 在一定的混合物中,密度大、温度低的液体下沉,而质量轻、温度高的液体上升. 这种下沉和上升停止了, 然而, 当拿铁咖啡中某一区域的局部密度接近平衡时. 结果是, 那里的流体必须水平流动, 而不是垂直的, 创建不同的波段, 或层.

通过他们的实验, 研究人员还研究了温牛奶注入液体的速度是如何起作用的. 如果倒得太慢,密度大的流体在流入密度小的流体时就会混合得太均匀. 更快的倒速会使前者穿透后者,引发快速运动,在建立密度平衡时达到所需的分层.

需要做更多的工作来表征拿铁中显示的分层效应,以便将其控制扩展到其他分层液体和半固体. 但薛教授和他的同事们的初步研究结果已经表明,一种普通饮料中的活性物质是如何产生不同寻常的见解的.

“这个结果展示了流体力学的美,非常有意义,德特勒夫·洛hse说, 他是荷兰特温特大学流体力学教授,并没有参与这项研究. “我认为它将影响各种工业流程和所谓工艺技术中的混合程序, 在这种情况下,通过将一种流体注入另一种流体来混合不同密度的流体是无所不在的.”

Lohse进一步指出,365bet体育的研究如何有助于更好地解释地球浩瀚海洋中依赖于热量和盐度的水流, 这一现象对气候学和生态学有重要影响. “最令人惊叹的发现可能是,在café拿铁咖啡的分层之间有完美的相似性,”他说。, 以及海洋中不同温度和盐浓度的已知和极其相关的水分层.”

该论文的其他作者包括Sepideh Khodaparast, Lailai朱, 珍妮Nunes和Hyoungsoo Kim, 这些都是斯通在BET体育在线官网实验室的一部分. 他还就职于Linné Flow中心和斯德哥尔摩皇家理工学院的瑞典电子科学研究中心. 他还就职于位于大田的韩国科学技术院机械工程系, 韩国. 这项研究得到了美国国家科学基金会的支持, 瑞士国家科学基金会和瑞典研究委员会.