說起彩虹色的巧克力,你心裡想:那又有什麼好稀奇的。現在有了色素和其他新增劑,想做什麼樣的巧克力不簡單?
說起彩虹巧克力,你腦子裡出現的是彩虹形狀的巧克力(上)還是彩色的巧克力(下)?| Pixabay
不過科學家想的真沒這麼簡單。有一天,食品科學家、材料科學家和物理學家在走廊上相遇了,他們在休息時間談論起了日常生活中司空見慣的巧克力,於是他們想:有沒有可能在不用任何色素和新增劑的情況下,讓巧克力本身變成彩色?
眾所周知,巧克力是由可可豆的產物:可可脂和可可粉製成。除了沒加可可粉的白巧克力之外,一般的巧克力本身是棕色。所以,想改變可可粉本身的顏色是一件不可能的事情,因此只能從巧克力的表面下功夫。
在進行了多種嘗試之後,科學家們成功地在沒有新增任何色素的情況下,在巧克力表面製造出了這種五彩斑斕的閃光。這款看似有魔法的“彩虹巧克力”,在不同角度的光照下都會變幻出不同的彩色光線。
同一塊巧克力在不同角度下的效果,真·五彩斑斕的黑。| ETH Zurich/Giulia Marthaler
彩虹色巧克力可以隨著角度的變化而變化 | ETH Zurich/Giulia Marthaler
雖然這款巧克力看起來像是魔法世界中才有的產物,但是它原理卻沒有那麼難。只需要巧克力調溫後將其倒入特製的3D模型中就製作完成了。“任何人都可以在家做這件事情。”一位成功做出彩虹色巧克力的製作者說。因為這種神奇巧克力背後的原理就是光的衍射。
巧克力表面的彩虹色並不是色素和染料形成的,也沒有任何塗層或者其他特別的成分,它是由巧克力表面本身形成的。這種彩色能夠隨著光線和角度的變化而變化,叫做結構色(structural color),是透過光的散射、干涉和衍射形成。這種不斷變幻的色彩出現在肥皂泡,貝殼、很多昆蟲翅膀的表面,都是物體本身的微結構對光的作用形成的虹彩效果。
肥皂泡發出的這種彩色光不同於色素和染料的彩色,叫做結構色。| Wiki
不過,由於光的衍射對於物質本身的反射性有要求,想要使巧克力表面發出彩色的光,就必須先請材料學家出馬,讓巧克力表面變得非常光滑和穩定。這就涉及到巧克力的調溫。
構成巧克力的可可脂是一種特殊的脂肪,在不同的溫度下,它會有不同的晶體形態。比如在17°、23°、34°等等都有不一樣形態的晶體,而巧克力的調溫,就是透過調節溫度,讓可可脂形成一種完美的可可晶體。我們經常看到有人在大理石板上翻切巧克力,實際上就是在調溫。
在調溫的過程中,可可脂中的不穩定的晶體會全部分解,然後重組形成完美的晶體。當不斷地攪動,完美的巧克力晶體會相互連線在一起,形成一個緊密的網路。這樣完美狀態下的巧克力,硬度和穩定性都是最佳的,而且還具有光澤的外殼。
沒有調溫的巧克力,看起來不穩定也不均勻,更沒有絲滑的口感。
當衍射的條件形成後,研究小組開始考慮在巧克力表面做一些文章,他們準備了一種帶有鋸齒狀的,幾微米寬的凹槽模具,將巧克力倒在裡面定型,這就相當於在巧克力表面刻上了衍射光柵。
光的衍射是光波遇到障礙物時偏離了直線傳播的路徑,而發生了彎曲和散射。以單縫衍射為例,當光波透過一個大縫隙的時候,就相當於通過了無數個小的狹縫,每個狹縫中的光源就像往水中投入的石子一樣,會泛起圈圈波紋。這些波紋相互疊加,就發生了光的彎曲和散射。
惠更斯原理示意圖。波遇到障礙物時會發生衍射。這些光波會像水波一樣互相疊加,這就發生了光的彎曲和散射。| Wiki
在反射時,光的衍射現象也是同理,也能夠發生光波的疊加。當白光照射到反射面上時,白光被分散成不同色光,就呈現出了彩虹的效果。我們生活中最常見的例子就是光碟。看似光滑的光碟表面上,其實包含著螺旋型分佈的細密軌道,光碟資訊就記錄在軌道中。這形成了圓形反射光柵,使得白光被分解,就變成了我們肉眼看到的彩虹色。
光碟表面的細密軌道,形成了反射光柵。| Youtube@Applied Science
彩虹巧克力的表面也應該是雕刻上了鋸齒狀的條紋軌道,就形成了和光碟相似的彩色效果。
另外,衍射效果和光的波長相關,在巧克力表面想要發生明顯的衍射現象,就需要鋸齒的間距和光的波長相近。可見光的波長範圍一般是0.36-0.4微米~0.76-0.83微米。研究者們正是將巧克力的鋸齒狀凹槽模具寬度選取在幾微米,讓反射光發生明顯衍射現象,也就有了神奇的“彩虹巧克力”。
說起刻平行凹槽,我腦子裡↑
結構光這種看似神奇的現象其實並不罕見,卻常常被我們忽視。比如蝴蝶翅膀上的鱗片,當我們把它放在顯微鏡下時,會發現翅膀鱗片有許多半透明的薄膜,薄膜之間充滿了空氣,這種結構讓光發揮魔力,形成隨角度不斷變化的絢麗色彩。
變色龍、藍閃蝶和昆蟲面板上都有一些微結構,能夠散射特定的光,顯示出絢麗的色彩 | web.archive.org
總之,只要能夠在巧克力表面成功刻上均勻、平行,並且間隔接近可見光波長的圖案,那彩虹色巧克力就做成功了,的確每個人都可以試一試,這可能是世界上最好吃的衍射光柵。
蘇黎世理工大學的企業已經做出了彩虹色巧克力的模具,把巧克力倒進模具,就能出現彩虹色巧克力的效果啦!(想玩) | morphotonix.com
封面來源:ETH Zurich/Giulia Marthaler
參考資料:https://docs.qq.com/doc/DU2R5ZG9mTWdrV1Rl
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來源:把科學帶回家
編輯:荔枝果凍