Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

была неплохо изучена еще в 1910-х годах, поскольку она лежит в основе многих процессов приготовления пищи. Когда вы разогреваете ломтик хлеба (или, как вариант, картофель, или стейк), белковые молекулы начинают вступать в реакцию с определенными сахарами, такими как глюкоза, лактоза и мальтоза, но не сахароза. Эта реакция производит новые, сложные соединения, которые обеспечивают коричневый оттенок и приятный вкус. Именно этого, я уверен, мы и пытаемся добиться от наших тостов. Однако, нагревая хлеб чересчур сильно, мы слишком далеко заходим в этом взаимодействии и доводим хлеб до карамелизации (с горьким вкусом[14]), а иногда и до карбонизации (обугливания).

Проблема с приготовлением тостов заключается в том, что степень прохождения реакции Майяра критически зависит от количества и типа сахаров в хлебе, а также от содержания белков. Вот почему и самый лучший тостер сегодня не может каждый раз делать идеальные тосты, даже если вы покупаете один и тот же хлеб. Кроме того, для реакции Майяра большое значение имеют чисто физические аспекты, такие как температура хлеба перед тем, как он попадет в тостер, и толщина ломтика. Оказывается, обжаривать тосты сложнее, чем кажется, и именно поэтому развитие технологии тостеров застопорилось почти на сто лет.

Загадка кофейного кольца

Если вы прольете немного кофе на стол и, не вытерев, оставите его сохнуть, он не оставит после себя равномерного коричневого пятна, как можно было бы ожидать. Вместо этого вы увидите кольцо с очень темными краями и светло-коричневой серединой. Такой же эффект, хотя и менее выраженный, вы получите на салфетках и скатертях, залитых красным вином. По мере высыхания пятно будет приобретать более насыщенный цвет по краям.

Это явление известно как эффект кофейного кольца. Стоит отметить, что такое название призвано подчеркнуть наличие яркого края при высыхании капли кофе, а вовсе не вызвано формой пятна, которую оставляют на столе кофейные чашки. Это происходит потому, что кофе – не просто коричневая жидкость, а суспензия (проще говоря, неоседающая взвесь): вода с измельченными частицами кофейных зерен и растворенными в ней молекулами соединений, дающих аромат. Если речь идет о кофе с кофеином, а другой я не приемлю, то это аромат кофеина.

Представьте себе, что у нас есть капля кофе на гладкой столешнице вашей кухни. Когда эта капля начнет высыхать, вы заметите несколько моментов. Во-первых, размер площади смоченной столешницы не уменьшится по мере испарения капли. Край жидкости на столе останется зафиксированным в первоначальном положении, поскольку вода очень хорошо прилипает к поверхности стола – порой до такой степени, что силы, стягивающие каплю вместе, слабее, чем те, которые удерживают ее на столешнице. Поэтому, когда капля высыхает, она не оказывается меньше в диаметре, но становится более плоской.

Во-вторых, испарение воды происходит по всей поверхности капли, включая края, где вода встречается со столешницей. Когда молекулы воды испаряются из середины капли, на их место поднимаются молекулы снизу. По краям ситуация немного другая: здесь вода располагается под небольшим углом к столешнице. Поэтому, когда испаряются молекулы по краям, капля как бы растекается: под действием силы тяжести улетевшие молекулы заменяются молекулами из центра, и это создает постоянный отток молекул от центра капли к краям.

Поскольку наша капля заполнена крошечными частичками измельченных кофейных зерен, эти частички двигаются вместе с водой. Так что бóльшая их часть к тому времени, когда вода полностью испаряется, оказывается около края. При попадании жидкости на впитывающую поверхность, такую как салфетка, происходит то же самое, только эффект получается менее выраженным. Его ослабление объясняется тем, что перемещение частиц затруднено волокнами салфетки.

Эффект кофейного кольца может показаться очень надуманной проблемой, но на самом деле в лакокрасочной промышленности его существование создает массу трудностей. Он применим к любой жидкости, содержащей мельчайшие частицы. В баллончике с аэрозольной краской, к примеру, тоже суспензия – взвесь крошечных частичек пигмента в жидком носителе. Но ведь все мы хотим получить ровное покрытие, а не маленькие колечки с темными краями, вызванные эффектом кофейного кольца. Есть несколько способов обойти эту проблему. Проще всего использовать жидкость с максимально быстрым испарением. Внутри такой жидкости частички не успевают перемещаться.

Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.

Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.

Как необычность льда спасла цивилизацию

Звон кубиков льда в высоком стакане с любимым коктейлем навевает на меня воспоминания о жарких летних вечерах. К тому же в бокале, где есть лед, независимо от напитка, всегда происходит кое-что примечательное.

Давайте рассмотрим основные различия между жидкостями и твердыми телами. В качестве примера я приведу чистый спирт, или этанол, просто потому, что это очень удобное вещество. Молекулы жидкого этанола не крепко связаны друг с другом и могут свободно перемещаться. Это одно из ключевых свойств жидкости, и оно позволяет нам наливать жидкий этанол в емкости любой формы. Однако если вы заморозите этанол до –114 °C, он превратится в твердое вещество. И молекулы твердого этанола уже будут зафиксированы на месте в аккуратном массиве регулярной кристаллической решетки. То есть в твердом этаноле молекулы не могут свободно перемещаться, они связаны крепче, и каждая как бы занимает меньше места, так что твердый этанол плотнее, чем жидкий. Если вы сделаете кубики из твердого этанола и бросите их в стакан с жидким этанолом, они опустятся на дно.

Это справедливо практически для всех жидкостей в самом широком смысле этого слова: этанола, растительного масла, ртути, кислорода, стали. Твердое вещество всегда плотнее и тонет в жидкости. Однако вода выбивается из этого правила и вообще имеет много аномалий. В частности, плотность льда меньше, чем плотность воды, и лед плавает на ее поверхности.

Это объясняется способностью молекул воды