转贴：实验室手记之卡布奇诺的泡泡
(松鼠会的群博和论坛都小睡了一觉。。。贴个八卦一点的庆祝一下。。。)
研究经费申请书的写作指南都会强调要对研究的应用价值浓墨重彩，哪怕这个应用前景还很遥远还很虚幻。因为决定给不给钱的人不一定愿意去完全搞明白你想干嘛，他们对于“研究意义”就会更加关注。所以老板每次写申请都会说“泡沫的形成与稳定在工业上有广泛应用……”。虽然我念学位的几年中从来没有见过传说中的应用，到了后来帮他写申请的时候还是不假思索地把那些话照抄上去。所谓推己知人，我也就一贯对于人们坚决捍卫以讹传讹的传说充满了理解。我才不过听老板念叨了几年就已经可以不加思考，何况那些从小就耳熟能详的传说？到了快毕业的时候，还真有一个公司找老板研究如何产生“更好”的泡沫。那时候我已经靠折腾泡沫在学术刊物和会议上灌过一些水，用老板的话说也算得上“专业人士”了，自然就被老板抓来为实验室做贡献。在与公司的人会面之前，打算做点家庭作业，就问老板他们想做什么泡沫。老板说是那种自动售货机的cappuccino，见我一副茫然的样子，解释说就是咖啡泡沫。我说没见过，老板说没见过也没有关系，反正又不是要你做咖啡，你只管泡沫就行了。想想老板说的也是，研究猪肉的人不一定需要吃猪肉，也不一定需要见过猪跑，研究cappuccino泡泡的人也不一定非得喝过它。
很久以后，我才知道cappuccino在中文里的的小资译法叫做 “卡布奇诺”。真正的卡布奇诺是浓缩咖啡加牛奶泡沫组成的，可以做得很精细很高档，在专卖店里还可以做得很花哨而充满“高雅”和“情调”。不过在我老板眼里，再花哨的泡沫也还是泡沫，而美国更广泛的是我们要做的这种“快餐化”的“卡布奇诺”。它已经跟真正的“cappuccino”相去甚远了，只是作为自动饮料机的一个选项，其他的选项可以是牛奶、果汁、可可等等。这样的饮料机可以放在公共场所，或者教室外面的走廊，只要投入硬币，拿个杯子自己去接就行了。虽然没有“正宗”卡布奇诺的情调，但是方便实惠，很符合美国人的需求，比“真正”的卡布奇诺甚至更加流行。
其实公司只是有一个意向，第一次见面就是要把他们的要求转化成具体研究目标，并且确定实验流程、实验变量以及检测指标及手段等等。跟国内常规的饭桌上解决问题不同，鬼子们的业务都是在会议室里谈的，谈完了也没有饭吃。对方的公司来了两个人，加上我和老板，四个人在大会议室里煞有介事地开会。他们的目标倒也简单，就是想让出来的泡沫好看一些、持久一些。
细腻、持久是生活语言，作为研究我们得需要一个明确的物理参数来衡量。泡沫的细腻主要由泡泡的大小决定，而稳定性也深受大小的影响，所以泡泡的尺寸就是关键参数。可是那些泡泡很小，需要用显微镜放大才行，这又牵涉到别的细节问题。反正说起来简单，做起来繁琐，我就开始琢磨如何“嫁祸于人”。至于稳定性，对方说他们是用透明的杯子接一杯泡沫，记录不同的时间泡沫和液体的高度，用这两个高度的变化来衡量泡沫的稳定性。我还在想这玩意儿容易，又简单又直观，老板说我们可以用核磁成像来测量。做老板的好处就是只需要知道什么技术能够干什么就够了，至于这项技术如何工作交给学生就行，所以老板说完“我们已经成功地使用这项技术很久了”，就把殷切的目光投向了我。其实用核磁成像来测量泡沫稳定性，对解决他们的问题并没有太大帮助，而且真正操作起来比拿杯子看要麻烦多了。虽然我对老板这个“简单问题复杂化”的决定相当不解，还是老老实实地开始介绍这项技术的“高级之处”。他们显然对于技术原理以及实验操作兴致索然，只是出于礼貌地频频点头，我也就尽量长话短说。在毕业答辩上“简介”15分钟的东西，用两分钟来介绍，我也很配合地不问他们明白了没有。然后，我说“……这样，使用这个技术可以把杯子中不同高度上的泡沫的水含量随着时间的变化测量出来”。虽然这句话很长很别扭，把人绕糊涂的能力很强，但是听起来有点酷，他们可能很满意，终于隐隐显示出了不虚此行的兴奋。后来我问老板为什么要用这个很麻烦但是对解决问题没有什么帮助的技术，老板的回答是：人家跑到大学里来找你做，当然需要一些他们做不了的“高技术”了，你看他们不是对这个核磁成像的曲线充满了兴趣吗？这个例子再一次证明：做老板不是会解决问题就够的，智商之外情商也很重要。
下面就是决定研究什么因素对泡泡的大小和稳定性有影响了。老板搭了台，唱戏自然是我的责任。
我：最有效的就是提高奶粉浓度……
对方：这个……我们清楚……不考虑……（也是，提高浓度要增加成本）
我：那把奶粉换成纯蛋白？
对方：研究的时候可以，实际应用还是要用奶粉……（哦，忘了，奶粉比纯蛋白便宜多了）
我：那加点增稠剂如何？
对方：可以试试……但是希望不大……改变配方我们决定不了……（大公司就是麻烦，做点小改变要一堆人审批）
我：那……你们能够改变什么？
对方：机器的操作条件、或者机器的内部构造……你们找出哪些因素影响比较大就行了……（哦，这就是叫做“研究”而不是“开发”的原因了——我们找到路，他们决定如何走）
……
于是天马行空，四个臭皮匠，合成一个诸葛亮，把大家能想到的可能的影响因素列了出来。然后按照他们能够提供的经费，决定对哪些影响因素进行检测。工业界的研究与学术研究的区别之一就是，做什么如何做不是由研究人员的好奇心决定的——很大程度上，是由准备花多少钱决定的。
最后，就是讨论如何做泡沫了。显然，用现成的饮料机无法改变要研究的因素，也很难监测机器运行中的物理量。于是，就不能只吃猪肉不见猪跑了，得先看看饮料机的内部构造，然后搭建起一套东西，既要模拟那个过程，又能改变操作条件，同时可以测量一些变量。
会面一周之后，我收到了他们邮来的饮料机。于是，“泡沫在工业上的应用”终于有了一个实践的机会。
在老板给了卡布奇诺的拼写之后，我很好奇地去查了它的做法。正宗的卡布奇诺是以浓缩咖啡（espresso，大致发音“已死不勒索”）为基础的，应该装在瓷杯子里，上面的那层泡沫是把热的水蒸汽通到凉的牛奶里产生的。瓷杯子和这层泡沫除了看起来有情调一些，还有保温的作用。做真正的卡布奇诺的咖啡机设计要复杂一些，关键部分是把水加压加热——在卡布奇诺咖啡机的内部，水与咖啡粉接触的地方水温可达95度，通过咖啡粉末的时候，从中提取可溶成分的能力和效率都要比通常的热水高，因而得到的咖啡很浓（原稿中的温度是我疏忽了，谢谢lalunasun提醒）。就咖啡因而言，通常浓度是普通咖啡的两三倍。此外，还有一些通常的热水提取不出来的成分也被搞定。这样，浓缩咖啡并不是简单的“普通咖啡的浓缩”，而是其中的成分也不相同。既然有加压的水，自然也就可以产生高压的水蒸汽。把高压水蒸汽通到牛奶里，就能产生牛奶泡沫。把泡沫装到浓缩咖啡的上面，就卡布奇诺了。
不过这玩意儿操作起来不是那么方便，至少不能放到图书馆或者会议室的走廊，让大家自己去弄——除了瓷杯子和牛奶桶的不便，万一哪个毛手毛脚的被水蒸汽烫了手，经销商可就亏大了。所以，真正的卡布奇诺，还得到咖啡店里让店小二服务，或者买台机器回家自己动手。
对米国鬼子来说，喜欢的还是用一次性的杯子，投几个硬币，然后接一杯拿着去上课、开会或者自习。那层泡沫有助于保温，在冬天里尤其受欢迎。我们要做的，就是这种山寨版的“卡布奇诺”。
江湖前辈风清扬说，天下武功只要九招剑法就可以全被破掉。食品中产生泡沫，只有三招——产生泡沫的形形色色的厨具，都是从这三招变化而来。正宗卡布奇诺的那招，属于“通气法”，就是把气体通到液体里，气体钻出来就成了气泡。另一招是“减压”，就是在高压下把气体溶解到水中，突然减压之后水中的气体获得了自由，争先恐后杂乱无章地逃跑，就产生了气泡。碳酸饮料就是这种方式，还有啤酒、一些葡萄酒也依靠其中的二氧化碳而“起泡”。最简单、最容易操作的还得算是第三招——“搅和”。拿一个鸡蛋，只要蛋白，用搅拌器或者筷子“打”一会儿，就能产生雪白细腻可以保持形状的泡沫。搅上一盘，摆七根薯条或者桔梗，在某些饭店里就可以叫做“七剑下天山”了。
令狐冲所有的剑招都需要一把剑，否则他就跟常人无异。而得到稳定的泡沫都需要水里有乳化剂。正式版和山寨版的卡布奇诺都用奶粉来实现乳化。啤酒和葡萄酒在发酵过程中会产生一些蛋白质碎片等具有表面活性的成分，也具有乳化性能。至于鸡蛋白，乳化性能就更好了，不加水的蛋白浓度也高，搅出的泡沫接近固体了。
收到公司寄来的饮料机，就找了个改锥给拆开了。我老板喜欢招学过工程的学生，大概也是因为敢于下手——不管什么仪器，都敢拆开，只要再装回去的时候不多出零件来就行了。里面其实没有我想象的那么复杂，就是一个电路板，连接到几个马达。水经过热水器连到搅拌器里，搅拌器上方有几个盒子，用来装各种不同的粉末，比如奶粉、可可粉、咖啡粉等等。盒子底部都有一根螺旋状的棍子，一转起来就可以把粉末带出来，掉到搅拌器里。
那个电路板显然是整个饮料机的“大脑”，根据面板上的选择决定马达们哪个先转那个后转。不过我完全看不懂那个电路板和那堆红红绿绿的线。虽然做研究好奇心很重要，但是不被累死的关键是看不懂的东西就不去折腾。于是我直接无视了饮料机的“大脑”而着眼于细节——我只需要关心那个搅拌器就行了。
那个搅拌器也比较简单，就是一个小马达带动一个搅拌桨。搅拌桨外面是一个不大的塑料壳。热水和粉末一起进到搅拌器里，被搅和之后再从搅拌器下面的口出来，就成了气体和液体的混合物。接到杯子里，很快就变成了下面是液体上面是泡沫的“卡布奇诺”。
我剪掉电线，取了一个搅拌器下来，开始了搭建装置的努力。过程实在是繁琐，一言难尽，就不说了。大致就是把整个实验室都翻了个遍，寻找各种东西为我所用。这个过程中还发现原来这个实验室的犄角旮旯里藏着许多我都没见过的东西，有很多估计老板都忘了它们的存在。最后，终于在实验台上搭出了一堆东西，可以搅出泡沫来，也可以检测其中的几个物理量。
前面说过为了显示这个项目的技术含量，要用核磁成像来检测不同位置的泡沫含水量的变化曲线。虽然老板气定神闲地说过我们已经成功地应用这个技术很久了，其实他并不清楚这个泡沫做核磁成像不是一定能成的。简单说来，泡沫的核磁成像，就是把一管子泡沫放到仪器里，连续地检测它产生的核磁信号。在各个位置检测到的信号由那个地方的氢原子数、溶液的核磁特性参数以及操作参数来决定。对于泡沫来说，泡沫中的水在不停地从上往下流，而这个过程中伴随着溶液的核磁特性参数的变化。应用这个技术来检测水含量的变化，关键就是把操作参数调节到除了含水量之外的其他参数总的影响接近常数。此外，仪器接收到的信号除了泡沫产生的，还有一些背景信号——就像我们听别人说话的同时也能听到“噪音”。如果噪音太大，就可能淹没真正的信号，检测到的东西就没有意义了。在分析技术上，就把想要检测的信号和背景噪音的比值称为“信噪比”。信噪比越高，检测结果就越容易分析。对于一个具体的检测来说，如果我们做两次检测，然后把检测结果相加，那么信号就会加强，但是由于“噪音信号”是杂乱无章的，相加的结果是只是另一个强度相同的噪音。这样，信号加强了，但是噪音的强度没有变化，检测结果就更加清晰。
我以前做的检测是为了研究泡沫的稳定机理，泡沫故意做得很稳定。那台仪器扫描一次要两秒钟左右，因为泡沫很稳定，我可以把六十多次扫描的信号相加当作一个时间点，这样信噪比很高，曲线很平滑。但是这个卡布奇诺的泡泡太不稳定了，含水量的分布变化很快，没法把那么多次的信号相加。减少扫描次数，得到的曲线信噪比不是那么高，就不那么赏心悦目了。我再一次跟老板探讨做这个的必要性，老板说能做成啥样就做成啥样了，反正对公司来说都是新鲜玩意儿。
虽然说科学研究的结果有时候很有趣，不过收集数据的过程多数都很枯燥无味。这个研究泡沫的项目把这种枯燥发挥到了极致。在实验装置搭好以后，需要干的事情就是把各个操作参数取不同的数值，再互相组合形成很多组操作条件，然后配溶液、开马达、收集泡沫、测量各个泡沫的指标。
周而复始，日复一日，过不了几日人类喜新厌旧的种子就开始滋生。还在会议室跟公司的人讨论的时候我就想过如何把这活推销出去——想来觉得应该比赵大叔卖拐还是要容易一些。于是跟老板说，你看这实验挺容易的，干脆你找个爱好科研的本科生来，我带着他做得了，这样我还可以去干别的。老板也觉得这实验没有什么技术含量，还是希望我去给他写程序解方程——虽然那也基本上是个体力活，不过老板自己不会，也找不到人手，于是大喜。估计也用不了什么忽悠，就有爱好科研的孩子趋之若鹜——即使对实验没兴趣，作为打工的机会赚点生活费，还能在以后的简历上写“参与过某某研究项目”，吸引力还是巨大的。两天以后，老板那门课的 “科代表”就得到了这个机会——进水楼台的优势，凡是有人的地方都是存在的。
于是每当师妹没课，就来到实验室。我给她几组那天要做的条件，她做完之后再给我数据。我隐隐体会了一下做“老板”的感觉，原来真的不错——难怪，每个人都想做老板。
测试过了许多因素之后，比较明显的因素有溶液进入搅拌器的速度和马达的转速：当进入速度慢的时候，产生的泡沫更加丰富；而马达的转速增加也会增加产生的泡沫量。讨论结果的时候，老板说这个两个因素影响明显，我们得有一个合理的解释。虽然提出了几个可能，但是没有证据支持的可能只能是“猜想”而不能作为解释。科学与工程的一个区别在于：工程上知道是怎么回事也就够了，而科学上还需要进一步知道为什么是这样。虽然在理学院面前，我们是以工程的面目存在的，但是在工业界面前，我们还得摆出科学的姿态来。
我说，如果这个搅拌器是玻璃做的就好了，可以看看溶液在里边是怎么搅的。老板一听，说：要透明的容易啊，你们去车间里找那个技工，让他用透明塑料做一个搅拌容器，你把马达拆下来装进去就成了嘛。
不能不说大学的优势就在于此。系里有一个车间，里边有各种车床和工具。当教授们需要什么买不到的装置，就可以让技工给加工出来。那个技工说起话来很蔫，一口地道的方言英语，我跟他交流实在是有点障碍，就打发师妹去了。
师妹找他回来，说是没有问题，但是需要加工图纸。话说当年，我也是练过画图纸的。刚上大学的那一年，每周都要在那座比我奶奶年纪还大的楼里，趴在专用的绘图桌上修炼几个小时。在被称为蓝旗营技术学院的校园里，故老相传绘图是近百年的传统。我们当然不是一个人，两千来人的一届学生中，据说只有中文这样风雅的专业不用绘图。而我们，则光是削铅笔就要学上大半节课。
不过我们并没有画过实际的东西。而那个容器也不是很规则，拿着卡尺仔细端详，发现需要的尺寸还挺多。看起来要按照当年的训练画出这么个小玩意儿，也还是需要些功夫的。那天中午做饭的时候，我突然明白：如果我的目的是搞清楚饭为什么会熟，就不用执着于锅的细微差别。为了搞明白进水的速度和马达转速跟泡沫的关系，也并不需要做出一个完全一样的搅拌器来。
于是，下午，我把整个搅拌器交给师妹，说只需要做出来的搅拌容器跟现成的这个差不多，并且能把搅拌桨装上就行了。抓住了关键，去掉了细枝末节，那个蔫蔫的技工干起活来还真不含糊，很快就完成了。
后来的一切就变得简单。在水溶液里放了一点染料，于是溶液在搅拌器内的运动变得一目了然。俗话说“有图有真相”，何况师妹还拍了视频。在后来项目总结的时候，那几段视频也成了公司的技术人员最感兴趣的部分。
几十秒的视频，胜过了大段的推测和描述。在搅拌容器内，溶液被搅拌桨搅成气体和液体的混合物，同时搅拌桨象离心泵一样把这些气液混合物打到出口排出去。气液混合物被接到杯子里之后，气泡上升，就在液面形成了一层泡沫。气液混合物排出的速度主要由搅拌桨的转速决定，如果溶液进入搅拌器的速度快，进入的速度就会比出去的速度要快。这样，溶液就会在搅拌器中积累，很快淹没了搅拌桨。于是搅拌桨完全在水中搅拌，产生的泡沫就比较少。如果进入的速度慢，进和出的速度差不多，搅拌容器中的液面在搅拌桨的位置上，正好把空气搅入液体中。马达转速的影响也与此相似：马达转得慢的时候，溶液来不及流出，很快就淹没了搅拌桨，因而产生的泡沫就少。
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