让巧克力变成彩虹色,靠的不是色素,而是物理

万物杂志·2021-11-08 10:25
在家就能做出五彩斑斓的黑!

说起彩虹色的巧克力,你心里想:那又有什么好稀奇的。现在有了色素和其他添加剂,想做什么样的巧克力不简单?

说起彩虹巧克力,你脑子里出现的是彩虹形状的巧克力(上)还是彩色的巧克力(下)?| Pixabay

不过科学家想的真没这么简单。有一天,食品科学家、材料科学家和物理学家在走廊上相遇了,他们在休息时间谈论起了日常生活中司空见惯的巧克力,于是他们想:有没有可能在不用任何色素和添加剂的情况下,让巧克力本身变成彩色?

众所周知,巧克力是由可可豆的产物:可可脂和可可粉制成。除了没加可可粉的白巧克力之外,一般的巧克力本身是棕色。所以,想改变可可粉本身的颜色是一件不可能的事情,因此只能从巧克力的表面下功夫

在进行了多种尝试之后,科学家们成功地在没有添加任何色素的情况下,在巧克力表面制造出了这种五彩斑斓的闪光。这款看似有魔法的“彩虹巧克力”,在不同角度的光照下都会变幻出不同的彩色光线。

同一块巧克力在不同角度下的效果,真·五彩斑斓的黑。| ETH Zurich/Giulia Marthaler

彩虹色巧克力可以随着角度的变化而变化 | ETH Zurich/Giulia Marthaler

虽然这款巧克力看起来像是魔法世界中才有的产物,但是它原理却没有那么难。只需要巧克力调温后将其倒入特制的3D模型中就制作完成了。“任何人都可以在家做这件事情。”一位成功做出彩虹色巧克力的制作者说。因为这种神奇巧克力背后的原理就是光的衍射

巧克力表面的彩虹色并不是色素和染料形成的,也没有任何涂层或者其他特别的成分,它是由巧克力表面本身形成的。这种彩色能够随着光线和角度的变化而变化,叫做结构色(structural color),是通过光的散射、干涉和衍射形成。这种不断变幻的色彩出现在肥皂泡,贝壳、很多昆虫翅膀的表面,都是物体本身的微结构对光的作用形成的虹彩效果。

肥皂泡发出的这种彩色光不同于色素和染料的彩色,叫做结构色。| Wiki

不过,由于光的衍射对于物质本身的反射性有要求,想要使巧克力表面发出彩色的光,就必须先请材料学家出马,让巧克力表面变得非常光滑和稳定。这就涉及到巧克力的调温。

构成巧克力的可可脂是一种特殊的脂肪,在不同的温度下,它会有不同的晶体形态。比如在17°、23°、34°等等都有不一样形态的晶体,而巧克力的调温,就是通过调节温度,让可可脂形成一种完美的可可晶体。 我们经常看到有人在大理石板上翻切巧克力,实际上就是在调温。

在调温的过程中,可可脂中的不稳定的晶体会全部分解,然后重组形成完美的晶体。当不断地搅动,完美的巧克力晶体会相互连接在一起,形成一个紧密的网络。这样完美状态下的巧克力,硬度和稳定性都是最佳的,而且还具有光泽的外壳。

没有调温的巧克力,看起来不稳定也不均匀,更没有丝滑的口感。

当衍射的条件形成后,研究小组开始考虑在巧克力表面做一些文章,他们准备了一种带有锯齿状的,几微米宽的凹槽模具,将巧克力倒在里面定型,这就相当于在巧克力表面刻上了衍射光栅。

光的衍射是光波遇到障碍物时偏离了直线传播的路径,而发生了弯曲和散射。以单缝衍射为例,当光波通过一个大缝隙的时候,就相当于通过了无数个小的狭缝,每个狭缝中的光源就像往水中投入的石子一样,会泛起圈圈波纹。这些波纹相互叠加,就发生了光的弯曲和散射。

惠更斯原理示意图。波遇到障碍物时会发生衍射。这些光波会像水波一样互相叠加,这就发生了光的弯曲和散射。| Wiki

在反射时,光的衍射现象也是同理,也能够发生光波的叠加。当白光照射到反射面上时,白光被分散成不同色光,就呈现出了彩虹的效果。我们生活中最常见的例子就是光盘。看似光滑的光盘表面上,其实包含着螺旋型分布的细密轨道,光盘信息就记录在轨道中。这形成了圆形反射光栅,使得白光被分解,就变成了我们肉眼看到的彩虹色。

光盘表面的细密轨道,形成了反射光栅。| Youtube@Applied Science

彩虹巧克力的表面也应该是雕刻上了锯齿状的条纹轨道,就形成了和光盘相似的彩色效果。

另外,衍射效果和光的波长相关,在巧克力表面想要发生明显的衍射现象,就需要锯齿的间距和光的波长相近。 可见光的波长范围一般是0.36-0.4微米~0.76-0.83微米。研究者们正是将巧克力的锯齿状凹槽模具宽度选取在几微米,让反射光发生明显衍射现象,也就有了神奇的“彩虹巧克力”。

说起刻平行凹槽,我脑子里↑

结构光这种看似神奇的现象其实并不罕见,却常常被我们忽视。比如蝴蝶翅膀上的鳞片,当我们把它放在显微镜下时,会发现翅膀鳞片有许多半透明的薄膜,薄膜之间充满了空气,这种结构让光发挥魔力,形成随角度不断变化的绚丽色彩

总之,只要能够在巧克力表面成功刻上均匀、平行,并且间隔接近可见光波长的图案,那彩虹色巧克力就做成功了,的确每个人都可以试一试,这可能是世界上最好吃的衍射光栅。

苏黎世理工大学的企业已经做出了彩虹色巧克力的模具,把巧克力倒进模具,就能出现彩虹色巧克力的效果啦!(想玩) | morphotonix.com

巧克力:我变色了,也变强了。

本文来自微信公众号“把科学带回家”(ID:steamforkids),作者:Skin,36氪经授权发布。

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