作者:游晓鹏 王之康 来源:中国科学报 发布时间:2017/7/25 11:26:26
选择字号:
电子科技大学:
本科生巧解“巧克力相变滞后”之惑

 任瑞龙(左)与逯群峰(右)

■本报通讯员 游晓鹏 见习记者 王之康

存放在24℃下,巧克力就会开始慢慢溶化。然而,当完全溶化的巧克力从30℃降温到24℃时,却不会凝固,只有继续降温到10℃左右时才会凝固。这就是巧克力“相变”中的“滞后现象”。它不仅会影响巧克力的保存期限,还会影响其口感。

那么,究竟是什么原因造成了这一“滞后现象”?

日前,电子科技大学物理电子学院2012级本科生任瑞龙、逯群峰发表的教学研究论文《巧克力相变中的滞后》成功入选著名SCI教学期刊《欧洲物理杂志》2016年度Highlights,即对该现象进行了揭秘。

从普通的巧克力到高大上的Highlights论文,两名本科生是如何做到的呢?

相变滞后:竞赛题目颇有趣

说起“巧克力相变中的滞后”问题,这要追溯到2014年中国大学生物理学术竞赛。该项赛事参照第27届国际青年物理学家锦标赛的规则和题目,在力、热、光、电等物理分支下共设了17个开放性题目,“巧克力相变中的滞后”就是其中之一。

当时,电子科技大学由物电学院教师吴喆、李业凤等带队参赛,从各学院选拔出6名本科生,其中便有任瑞龙和逯群峰。

“按照比赛规则,有些题目本来是可以放弃的。有两道题我们的准备不够充分,其中一道就是‘巧克力相变中的滞后’问题。”任瑞龙说,由于受比赛时间和场地的限制,他们没有太多时间对该问题进行深入研究,虽然当时找到了很多理论,但都无法完全从微观上对这一现象进行解释。

实际上,绝大多数参赛队伍在遇到“巧克力相变中的滞后”问题时都选择了放弃。而展示这道题的队伍也因为仅有实验而缺乏理论支持,只得到了很低的分数。

“这道题目给我们留下了非常深刻的印象。”逯群峰说,后来比赛虽然结束了,但是他们对这一问题却始终“耿耿于怀”。

深入钻研:唯象理论巧揭秘

返回学校后,任瑞龙、逯群峰开始对“巧克力相变中的滞后”这一现象进行更加深入的研究。

“这是一项比较大的挑战,也是一个十分有趣的问题。”任瑞龙表示,高难度和趣味性极大地激发了他们的斗志。那么,深化研究该从何处着手?

任瑞龙和逯群峰回想并分析了大赛过程中的情况发现,问题的关键在于找到一种恰当的理论进行科学合理的解释。于是,两人向该校教授滕保华请教,并得到了一个重要提示:巧克力相变的图像和“朗道—德冯谢亚唯象理论”图像非常相似。

这一点拨无异于拨开了科研道路上的迷雾,让他们十分兴奋。后来经过初步研究,他们发现巧克力相变中的滞后现象和“朗道—德冯谢亚唯象模型”之间的确存在非常高的契合度。但是怎么找到其中的内在关联呢?

随后,他们从微观和宏观两个层面着手查询资料,在参考了大量的研究成果之后,他们认为,巧克力本身是很复杂的混合物,包含可可脂、蛋白质等丰富的成分。仅仅考虑某一种成分的相变性质是不合理、不科学的,而要考虑每一种成分的相变性质又会产生大量的变量,从而增加研究的难度。

针对这种情况,他们最终选用唯象理论进行解释,即跳出对微观细节的讨论,从宏观层面进行研究,通过建立平方反比关系,把实验变量与理论模型参数紧密联系起来,使实验曲线与理论曲线更好地吻合,从而得到“巧克力相变中的滞后”现象的唯象解释。

巧设实验:简单器材灵活用

为了进行实验验证,他们设计了一个巧妙的实验装置:把加热溶化后的巧克力放入培养皿里,敷平表面后放入冰箱里凝固,作为样本,然后取一个乒乓球,用针管注满水,作为“测量仪器”。

一切就绪后,开始用恒温水浴箱加热巧克力样本,在达到要求温度并保持3秒之后,从恒温水浴箱拿出培养皿,轻轻放入乒乓球,乒乓球会在逐渐溶化的巧克力上压出一个窝。在温度跳变3次后,取出乒乓球,并测量其沾到巧克力圆形区域的直径。

“就这一项实验,我们反复做了一个月,每做一次实验就要用一盒巧克力。”任瑞龙笑着说。

最终,他们利用这些简单的实验器材获得了大量有用的数据,尤其是在转变思维和巧妙计算下,这些数据最终证明了实验结果图像与“朗道-德冯谢亚唯象模型”非常吻合。

这一结论让任瑞龙和逯群峰对之前的理论设想充满了信心。随后,两人便利用课余时间一起撰写研究论文,反复推敲修改。在滕保华的指导和帮助下,历经40多遍修改,《巧克力相变中的滞后》研究论文才得以出炉。

“这是一次有趣的学术探险。在这次探险中,老师和同学们的指导、帮助让我们最终看到了它应该拥有的影响。同时,这次学术历练也让我们感到本科阶段的大学生活是精彩而无憾的。”回想起从实验到论文的过程,逯群峰满怀感慨。如今,他与任瑞龙都留在电子科技大学,继续攀登科研高峰。

《中国科学报》 (2017-07-25 第8版 科创)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

目前已有0条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
微型蜂鸟机器人靠AI算法飞行 “科学”号赴西太平洋执行综合科考任务
带着“导航图” ,探寻植物的光影世界 “黑斑”让蜘蛛如此美丽
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐