圖片來源：Pixabay米歇爾·弗蘭茨爾（MichelleFrancl）“坦白”道：“如果茶涼了，我會(huì)用微波爐熱一下再喝。”弗蘭茨爾是美國布林莫爾學(xué)院的化學(xué)家，她在一篇題為《化學(xué)家的一杯茶》（Achemist'scupoftea）的

圖片來源：Pixabay

米歇爾·弗蘭茨爾（Michelle Francl）“坦白”道：“如果茶涼了，我會(huì)用微波爐熱一下再喝。”弗蘭茨爾是美國布林莫爾學(xué)院的化學(xué)家，她在一篇題為《化學(xué)家的一杯茶》（A chemist's cup of tea）的文章中寫道，涼茶表面會(huì)漂浮一層膜，這讓她難以下口——只好把茶重新加熱，或者在泡茶時(shí)事先擠一點(diǎn)檸檬汁。

這層膜最初并沒有引起卡羅琳·賈科明（Caroline Giacomin）的特別注意。直到有一個(gè)來自中國臺(tái)灣的同學(xué)對(duì)賈科明抱怨道，茶上面那層膜實(shí)在令他無法忍受，所以他不打算再喝茶了。

賈科明是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院衛(wèi)生科學(xué)與技術(shù)系的博士生，她加入的課題組主要研究有關(guān)界面（interface）的科學(xué)問題。在她和導(dǎo)師商量博士研究課題時(shí)，導(dǎo)師為她提供了一些值得研究的課題。令賈科明意外的是，“茶的界面”就列在其中，再加上之前和同學(xué)的談話，她決定親自研究研究這層膜。最終，她的研究結(jié)果發(fā)表在《流體物理學(xué)》雜志上。

在賈科明的茶杯里，她有時(shí)能看到泛著光澤的茶膜，有時(shí)則看不到。而且，如果等一段時(shí)間再去喝泡好的茶，會(huì)發(fā)現(xiàn)茶膜像冰層一樣裂開。但如果用肉眼看不到，這層膜就真的不存在嗎？膜的碎裂又與什么因素有關(guān)？是否可以讓膜不發(fā)生破裂？

化學(xué)家“鋪”好的路

在20世紀(jì)90年代，有2位對(duì)茶情有獨(dú)鐘的化學(xué)家：邁克爾·斯皮羅（Michael Spiro）和德格拉提烏斯·賈甘伊（Deogratius Jaganyi）。他們一共寫了14篇有關(guān)茶的論文，其中有7篇在解釋關(guān)于茶膜的化學(xué)現(xiàn)象，包括化學(xué)組成和影響茶膜形成的多種因素，更重要的是，他們還為“茶杯里有時(shí)能看到茶膜，有時(shí)則看不到”提供了化學(xué)動(dòng)力學(xué)解釋。

對(duì)科學(xué)家來說，實(shí)驗(yàn)室是泡茶的絕佳場所——幾百毫升的玻璃燒杯是極好的茶杯，而恒溫的水浴鍋能讓他們相對(duì)精準(zhǔn)地控制“茶”溫。斯皮羅和賈甘伊把紅茶茶包放進(jìn)燒杯里，用80℃的水沖泡5分鐘，隨后將茶包取出，讓茶水靜置一段時(shí)間。

此前，有科學(xué)家認(rèn)為茶膜是在用沸水沖泡茶葉時(shí)，茶葉上的蠟質(zhì)層“浮”到了水的表面。但當(dāng)斯皮羅和賈甘伊用實(shí)驗(yàn)室里的蒸餾水（無機(jī)物、有機(jī)物等雜質(zhì)極少）泡茶時(shí)，并沒有出現(xiàn)茶膜。這說明，只依靠茶葉和較高的水溫并不能產(chǎn)生茶膜，水中的某些成分必然起到了關(guān)鍵的作用。他們通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，鈣離子和碳酸氫根離子是誘發(fā)茶膜形成的關(guān)鍵，但單單只靠鈣離子或碳酸氫根離子都不能讓茶膜“現(xiàn)身”，必須是二者的結(jié)合。

此外，酸堿性和氧氣濃度也會(huì)影響茶膜的形成。例如，堿性越大，即水的硬度越高，越容易形成茶膜。而且，如果把空氣換成氮?dú)猓瑒t很難看到茶膜，因此茶膜的形成必然涉及氧氣及氧化反應(yīng)，這也是茶垢和水垢的區(qū)別之一。

與此同時(shí)，通過掃描電子顯微鏡、質(zhì)譜分析、微量分析等多種測(cè)試手段，斯皮羅和賈甘伊進(jìn)一步分析了茶膜的成分：茶膜其實(shí)是由有機(jī)物（主要含碳、氫、氧）和無機(jī)物（包括碳酸鹽和氫氧化物）組成的。其中，幾乎所有的鈣離子和鈉離子都來自水，鉀離子、錳離子和鋁離子則幾乎全部來自茶葉。他們還特別說明，這層膜中的碳酸鹽和氫氧化物是以難溶化合物的形式獨(dú)立存在的，而有機(jī)物則為這些難溶的無機(jī)物提供了物理支撐——從掃描電子顯微鏡（SEM）上看，碳酸鈣顆粒就“待”在有機(jī)物的表面上。

斯皮羅和賈甘伊還試圖寫出茶膜的分子式。他們推測(cè)在靜置1小時(shí)后，一個(gè)“茶膜分子”會(huì)由約45個(gè)碳原子、50個(gè)氫原子、40個(gè)氧原子和2.7個(gè)二價(jià)金屬離子構(gòu)成，摩爾質(zhì)量甚至能達(dá)到1400克左右。

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)化學(xué)過程需要跨過多大的能壘，即需要多少能量才能讓反應(yīng)過程順利地進(jìn)行下去，是化學(xué)家極為關(guān)心的問題。通過精確調(diào)控靜置時(shí)的茶溫，并根據(jù)阿倫尼烏斯方程，斯皮羅和賈甘伊計(jì)算出了形成茶膜的活化能：34 kJ/mol。這是一個(gè)相對(duì)較高的能壘，大于擴(kuò)散所需的活化能（15.8 kJ/mol，根據(jù)斯托克斯-愛因斯坦關(guān)系計(jì)算得到）。擴(kuò)散包括離子在溶液中的擴(kuò)散，和氣體從空氣擴(kuò)散到溶液中。只有在反應(yīng)物經(jīng)擴(kuò)散后“碰面”并發(fā)生碰撞，即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，才有可能形成茶膜。

但在用茶杯泡茶時(shí)，有時(shí)水溫很快就降了下來，因此茶膜還沒來得及形成，大量熱量就散失了。相反，如果用保溫較好的陶瓷茶壺泡茶，茶水散熱較慢，因此通常能看到茶膜，并會(huì)在茶壺內(nèi)留下更多的茶垢，而這些富含礦物質(zhì)（如鈣離子、鎂離子）的茶垢也能誘發(fā)下一次茶膜的形成。這一點(diǎn)與賈科明不謀而合。賈科明打趣道，要想在茶杯里能一直看到茶膜，就最好別洗杯子。

通過流變學(xué)“看”茶膜

基于上面2位化學(xué)家的研究，賈科明想從流變學(xué)的角度觀察這層膜，并分析這層膜的力學(xué)性質(zhì)，而非化學(xué)性質(zhì)。

早在1678年，羅伯特·胡克（Robert Hooke）就提出了胡克定律——對(duì)于固體而言，在一定的壓力下，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（變形的程度）呈線性關(guān)系，這類材料被稱為胡克彈性固體。在胡克發(fā)表論文9年后，艾薩克·牛頓（Isssac Newton）解決了剪切流體的流動(dòng)問題，并提出了牛頓黏性定律（也叫做牛頓內(nèi)摩擦定律）。流體指的是液體或氣體，當(dāng)流體在外力的作用下流動(dòng)時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生抵抗外力的應(yīng)力。牛頓指出流體的剪切應(yīng)力與其流動(dòng)速率之間呈線性關(guān)系，而符合這種規(guī)律的流體就被稱作牛頓流體，例如水和酒精。

但事實(shí)上，并不是所有材料的運(yùn)動(dòng)都能用胡克定律或牛頓黏性定律來解釋。有一類材料，在一定條件下表現(xiàn)出胡克固體的特征，如彈性形變（短暫的、能恢復(fù)原狀的形變），而在其他條件下，則表現(xiàn)得像流體一樣，即發(fā)生黏性流動(dòng)（持續(xù)的、不能恢復(fù)原狀的流動(dòng)）。流變學(xué)研究的就是這類怪異的材料。按照美國化學(xué)家尤金·賓厄姆（Eugene Bingham）的說法，流變學(xué)是一個(gè)研究材料變形和流動(dòng)的新的學(xué)科分支。

對(duì)于賈科明而言，她既想知道這層膜的彈性，也想知道它的黏性。再加上，這層膜位于水和空氣之間，因此她選用的是一種雙錐界面流變儀。

值得一提的是，要描述茶膜的力學(xué)性質(zhì)，賈科明得用到“模量”指標(biāo)。與胡克和牛頓得出的定律類似，模量也是在衡量應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。此外，對(duì)于茶膜這類復(fù)雜材料，對(duì)應(yīng)的模量分別是彈性模量（G′）和黏性模量（G″），也可以叫做儲(chǔ)能模量和損耗模量。

為了確定鈣離子的作用，賈科明準(zhǔn)備了6種不同濃度的碳酸鈣溶液（0、10、25、50、100和200 mg/L），里面幾乎不含其他金屬離子，并用這些溶液代替水來泡茶。令賈科明意外的是，她并沒有看到茶膜，但肉眼不可見的膜卻被流變儀“看”到了。

賈科明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定剪切應(yīng)力振幅（0.3%），做動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描時(shí)，對(duì)于碳酸鈣濃度為50、100和200 mg/L的溶液來說，茶膜的彈性模量大于黏性模量（G′ > G″），即呈固體狀；而當(dāng)碳酸鈣濃度低于50 mg/L時(shí)，茶膜則呈流體狀（G″ > G′）。也就是說，碳酸鈣的濃度越低，越能讓茶膜流動(dòng)起來。另外，與斯皮羅和賈甘伊得到的結(jié)果相似的是，當(dāng)用超純水（幾乎不存在金屬離子）泡茶時(shí)，不僅看不到茶膜，流變儀也檢測(cè)不到。

前文中提到，我們往往會(huì)看到碎裂的茶膜，因此賈科明就想看看究竟在多大的應(yīng)力振幅下能讓這層膜裂開。如果用“模量”指示膜何時(shí)會(huì)碎裂（膜的強(qiáng)度），那就是當(dāng)損耗模量大于儲(chǔ)能模量時(shí)。在這里，相比于彈性和黏性，用儲(chǔ)能和損耗這組詞可以讓我們更直觀地感受到“為什么膜會(huì)破裂”。

當(dāng)碳酸鈣濃度較高（100和200 mg/L）時(shí)，較低的剪切應(yīng)力振幅（0.5%）就能讓茶膜碎裂，即G″ > G′。然而，當(dāng)碳酸鈣濃度降低到50 mg/L時(shí)，則需要更高的應(yīng)力振幅（0.8%）才能讓茶膜裂開，因此以儲(chǔ)能為主（G′ > G″）的茶膜更有韌性而不易碎。但對(duì)于10和25 mg/L而言，無論應(yīng)力怎么變化，損耗模量一直大于彈性模量，此時(shí)的茶膜就像流體一樣，難以成型。

在賈科明眼里，茶膜是一種有光澤且美麗的事物。因此，為了能看到這層茶膜，她在論文最后建議道：“不要洗茶杯”。

檸檬茶怎么樣？

市面上最常見的一種茶當(dāng)屬檸檬茶。這不僅是因?yàn)闄幟实娘L(fēng)味，其背后還有一定的科學(xué)原理。斯皮羅和賈甘伊當(dāng)時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)檸檬酸能抑制茶膜的形成和生長。這是因?yàn)闄幟仕崮芘c鈣離子等金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而降低游離的金屬離子的濃度，而鈣離子等是形成茶膜的關(guān)鍵。賈科明則發(fā)現(xiàn)，額外加入檸檬酸后，盡管看不到茶膜，但流變儀卻“表示”茶膜依然存在，不過此時(shí)茶膜的模量被降低，即檸檬酸能軟化茶膜，讓膜更易拉伸，同時(shí)還能增加其機(jī)械強(qiáng)度。

賈科明表示，這類強(qiáng)度更高的膜在瓶裝飲品中扮演著重要的角色。

事實(shí)上，我們?cè)谄垦b的茶類飲品中，不太可能用肉眼看到上面漂浮的一層膜，這大多是因?yàn)槔锩婧袡幟仕峄蚱渌j(luò)合物，這能起到抑制茶膜形成的作用。而且，當(dāng)茶膜不可避免會(huì)出現(xiàn)時(shí)，例如在奶茶類飲品中，少許檸檬酸也能通過增加茶膜的機(jī)械強(qiáng)度來穩(wěn)定茶膜。

弗蘭茨爾寫道，每當(dāng)她把檸檬汁擠到紅茶里，都會(huì)讓她再次回到大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)的課堂上，并想起令她心頭一顫的期中考試題。當(dāng)時(shí)，她的化學(xué)教授雪莉·羅蘭（Sherry Rowland）問他們：“檸檬為什么會(huì)讓茶的顏色變淺？請(qǐng)寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。”

撰文：王怡博

審校：二七

封面圖片來源：卡羅琳·賈科明

參考鏈接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0059760

https://doi.org/10.1038/364581a0

https://doi.org/10.1016/0308-8146(94)90005-1

https://doi.org/10.1016/0308-8146(94)90004-3

https://tea-biz.com/2021/09/19/the-physics-of-black-tea-film/

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0445-0

Rheology: An Historical Perspective. By R.I.Tanner and K. Walters