香槟酒气泡的形成
打开一瓶香槟酒，自己斟上一杯。轻轻呷上一口，顿时只见酒的上面一层嘶嘶作响，无数气泡升起又迸裂，把上千个金色的泡泡抛向空中，使香槟酒那妙不可言的美味和香气不但传到你的舌头上，也钻进你的鼻孔里。不计其数噼啪作响的金色小泡构成一曲打击交响乐，这正是产自法国东北部香槟区的老牌气泡酒不可思议的迷人之处。现在，痛饮香槟似乎已经成了世界各地节日或胜利庆典上的一道固定风景。对于优质的香槟酒，其标志之一就是有许多成串的气泡从斟满了酒的玻璃杯内壁一排排地向上升，酷似许多迷你热气球。气泡抵达酒的表面后就形成了一个项圈般的环。虽然尚无任何科学证据证明香槟酒的品质与其气泡的细微程度有关，但人们却常把这两者挂上钩。由于确保香槟酒具有传统的泡腾特性，是一件攸关生意的大事，香槟酒厂面临的重要任务就是精益求精，为争它们的香槟酒冒出的小气泡达到尽善尽美的水平。因此，几年前，我和法国蓝斯香槟阿丹尼大学以及法国酩悦香槟酒厂的几位研究人员决定考察一下碳酸饮料中气泡的特性。我们的目标是确定、描述并最终更深入地了解与起泡过程有关的诸多参数中每一个参数各自所起的作用。对盛满汽酒、啤酒或汽水的杯子进行简单而细致的观察后，我们发现了一种前人尚未探索过的看起来非常迷人的现象。我们的初步结果涉及到气泡演变全过程的3个主要阶段：即气泡的生成、上浮及并裂。气泡的形成在香槟酒、汽酒和啤酒中，二氧化碳主要起着产生气泡的作用：当酵母使糖类发酵，将其转化为乙醇和二氧化碳分子时，气泡便形成了。工业碳酸化作用是苏打饮料发出嘶嘶声的原因。当饮料被灌入瓶中或饮料罐中以后，根据亨利定律，溶解在饮料液体中的二氧化碳与密封在瓶塞或瓶盖下方空间中的二氧化碳彼此间便达到了一种平衡状态（享利定律说明，在平衡状态时，溶解在液体中的气体数量与气体的压力成正比）。打开一瓶（或一罐）饮料后，液面上二氧化碳的压力急速下降，从而打破了此前一直占上风的热力平衡。这样液体中的二氧化碳便处于过饱和的状态。为了重新恢复与大气压力相对应的热力稳定性，二氧化碳分子必须从过饱和的液体中逸出。当饮料倒入杯中时，溶解在饮料中的二氧化碳可以通过两种方式逸出：一是从液体的表面扩散出去；二是形成气泡。然而，溶解在液体中的二氧化碳分子要想聚集成初始的气泡，就必须从凝聚在一起的液体分子中间挤过去（液体分子通过范德瓦尔斯力——即偶极子吸引力紧密地结合在一起）。因此，气泡的形成受到这一能量壁垒的限制；克服这个能量壁垒所需要的过饱和比，超过了碳酸饮料中常见的过饱和比。在过饱和程度较低的液体中（包括香槟、汽酒、啤酒和汽水等），为了能形成气泡，就必须有事先存在的一些气体空腔，它们的曲率半径应当大得足以克服成核作用的能量壁垒，使其能够自由地长大。之所以如此，是因为气泡界面的曲率将导致气袋内部形成超压。根据拉普拉斯定律，此超压的大小与气泡的半径成反比。气泡越小，气泡内的超压就越高。如果半径小于某一临界值，气袋内的超压将使得溶解于饮料液体中的二氧化碳无法扩散到气袋内。在新开瓶的香槟酒中，这一临界半径约为0.2微米。为了细致地观察气泡形成的部位（所谓“气泡培育点”），我们把一台装有显微镜头的高速摄像机对准成百上千的气泡串的底部。与一般人的看法相反，这些成核部位并不是玻璃杯表面上细微的凸凹不平之处（它们的尺度远小于产生气泡所要求的临界曲率半径）。事实证明气泡培育点原来出现在附着于玻璃杯壁的杂质上。大多数杂质都是空心的且呈圆柱状的纤维，它们从空气中落到玻璃杯壁上，或者在拭干玻璃杯的过程中遗留于玻璃杯壁上。由于这些外来微粒的几何形状使它们不可能完全被饮料打湿，此因，当玻璃杯灌满饮料后，它们便能容纳一些气袋。在气泡形成的过程中，溶解于饮料中的二氧化碳分子扩散到这些细微的气袋里。最后就长成一个肉眼可见的气泡，此气泡在生长的初始阶段一直附着在其成核部位，随着气泡的不断膨胀，它的浮力也越来越大，最终这一浮力使气泡脱离成核点而一走了之，为新气泡的形成让路。这一过程将反复进行下去，使新气泡源源不断地冒出来，直至溶解于饮料中的二氧化碳快要用完时，气泡的生成才逐渐“偃旗息鼓”。气泡在成核部位上周而复始地不断产生的过程可以用起泡频率来表征，即每秒钟产生的气泡数目。我们不妨用频闪灯来形象地描述这个参数：当频闪灯的闪亮频率等于气泡形成的频率时，气泡串看起来好像就凝固不动了。由于气泡生长的动态过程还与溶解在饮料中的二氧化碳含量有关，因此，不同碳酸饮料的气泡形成频率也是各不相同。例如，香槟酒中二氧化碳含量差不多是啤酒中二氧化碳含量的3倍，因而香槟酒中最活跃的成核部位每秒能产生大约30个气泡；而啤酒的气泡培育点每秒只能产生10个左右的气泡。气泡的上浮一个气泡在离开了核点以后便直奔液面而去，在这一过程中它变得越来越大。气泡在上升过程中之所以越来越大，是因为溶解在饮料中的二氧化碳持续不断增加，从而使气泡上升的速度越来越快，这样气泡在上升过程中彼此的距离也逐渐拉开了。啤酒和汽酒并不是纯液体。除了含有乙醇和溶解的二氧化碳以外，它们还含有其它许多有机化合物，这些有机化合物的表面活性与肥皂分子的表面活性相仿，作为表面活性剂，这些化合物主要由蛋白质和糖类构成，既有可溶于水的成分，又有不溶于水的成分。表面活性剂不会始终“呆”在饮料的液体中，而是喜欢聚集在气泡表面，其疏水端插入气体中，而亲水端则粘在液体内。逐渐增大的浮力使气泡最终脱离成核点并驱使它挤过液体分子而打开其上升之路时，气泡周围的表面活性剂层对于气泡的行为就开始起到了关键性的作用。被吸收的表面活性剂分子在气泡表面上形成了某种类似于“盾”的东西，从而增强了气泡的刚性。根据流体动力学理论，刚性球在穿过流体上升时所遇到的阻力，比其周围没有表面活性剂层覆盖的柔性球所遇到的阻力大，表面活性剂分子逐渐在气泡表面聚集起来，使气泡的刚性部位越变越大。因此，半径固定不变的气泡在上升过程中所遇到的流体动力学阻力不断增加；当气体-液体界面完全被表面活性剂分子覆盖时，气泡的上升速度将降至最低值。但是法国斯特拉斯堡路易·巴斯德大学的一个研究小组不久前证明，严格说来，在气泡被表面活性剂严严实实地覆盖起来之前，气泡边界层就已经达到了完全的刚性化状态。与半径固定不变的气泡相比，上升过程中不断膨胀的气泡其行为之复杂要更胜一筹。在上面所举的那个例子中，气泡在穿越过饱和液体上升时，如果体积逐渐膨胀，则它的表面积也将不断增大，从而使它有更大的空间来吸收表面活性剂。因此，膨胀的气泡受到两种针锋相对的效应的作用。如果气泡膨胀的速率超过了表面活性剂使气泡表面刚性化的速率，那么气泡被表面活性剂所覆盖的那部分表面面积与尚未被表面活性剂覆盖的表面面积之比就不断下降，这样气泡实际上就在不断地“净化”其界面。如果这一比例不断增大，那么那泡表面最终将不可避免地被一层表面活性剂完全覆盖，从而使其刚性也越来越大。我们测量了膨胀的香槟酒气泡和啤酒气泡在上升到液体表面的过程中所遇到的阻力系数，并将测量结果同论述气泡动力学的科技文献中所查到的资料作了比较。从这项工作中我们得到的结论是：啤酒气泡的特性酷似刚性球；反观香槟酒、汽酒和汽水中的气泡在上升过程中其表现则显示出较大的柔性。这个结果当然不会让人感到太意外，因为啤酒中的表面活性剂大分子的含量比香槟酒中此类分子的含量高得多（前者每升约有数百毫克；而后者每升仅有几毫克）。此外，由于啤酒中气体含量较低，因此啤酒气泡的生长速率也低于香槟酒气泡的生长速率。其结果是啤酒气泡的膨胀所产生的净化效应可能过于微弱，无法使气泡的气体液体界面摆脱最终刚性化的命运。而香槟酒、汽酒和汽水中的气泡其生长非常迅速，但表面活性剂分子的数量又太少，难以使气泡表面变成刚性。气泡的迸裂气泡在产生出来并离开成核点之后，几秒钟内就穿越几厘米的距离而抵达饮料的表层，其直径最终达到1毫米左右。这些气泡就像冰山一样，上升到饮料顶端的气泡仅有很小一部分露出液体表面，而其大部分仍然潜藏在表面之下。露出来的那一部分（称为气泡帽）是半球形的液体薄膜；随着其周围侧面上液体的不断流失，它将变得越来越薄。当气泡帽的厚度降低到某一临界值时，它对于振动和热梯度将极为敏感，一点点振动或轻微的热梯度就会使它最终爆裂而烟消云散，不复存在。1959年，两位物理学家——剑桥大学的geoffreyingramtaylor与加利福尼亚理工学院的frede.c.culick——各自独立地证明了表面张力使气泡帽上出现一个洞，而且这个洞非常迅速地扩展开来。对于毫米大小的气泡，它们的瓦解过程只需要10—100微秒。在气泡帽破裂之后，一个复杂的流体动力学过程接踵而至，使得气泡浸在液体表面以下的部分也跟着分崩离析。在一刹那的时间里，液体表面上留下了一个敞开的空穴。然后空穴的四周向内推进并会合在一起，把一股高速液体喷流抛射到自由液面的上方。由于这股喷流速度很高，它将迅速变得不稳定，产生所谓毛细波，这一毛细波使喷流碎裂成许多“喷流滴”的微小液滴。慢性与表面张力的共同作用使得分离开的喷流滴呈现出多姿多彩的而且常常是令人称奇的形状，但最终它们都变成准球形。由于每秒钟都有数以百计的气泡爆裂，因此饮料表面上到处都是瞬间存在的锥形结构。这些此起彼伏的锥形结构的寿命太短，单凭肉眼是无法把它们看清楚的。香气四溢气泡在自由液面上的迸裂除了构成一道赏心悦目的风景以外，同时也使香槟酒、汽酒、啤酒以及其它多种饮料具备了饮料商期望的所谓“质感”，喷流滴以每秒几米的速度抛射到液面之上几厘米的地方并与人的感觉器官接触。这样，在品尝酒的过程中，鼻子中的感受器不断受到刺激，口腔中的味觉感受器亦然；气泡的迸裂还产生出一种略带酸性的水溶液。除了机械作用的刺激以外，气泡在液面上的破裂据信对于饮料的味道和香气的溢出也起着十分重要的作用。碳酸饮料含有许多芳香化合物，其分子结构揭示它们具有表面活性。因此，在饮料液体中升起并不断膨胀的气泡就起到了芳香分子收集器的作用，在其上升的沿途一遇到这类分子就顺手把它们拖走。这样芳香族分子就在饮料的表层集中起来。根据这一分析，研究人员认为，气泡在破裂时将含有高浓度芳香族化合物的微小滴成片地抛到空气中，从而凸显出饮料特有的风味。我们今后的研究工作打算对香槟酒中形形色色的芳香族化合物进行考察，定量分析这种香气释放效应对它们所起的作用。事实证明，与我们当初的设想相反，碳酸饮料中的泡腾现象堪称一项妙不可言的工具，有助于我们研究气泡的上升、膨胀及破裂等过程的物理化学特性。我们希望读者也不会用老眼光来看待酒杯里的香槟酒了。
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