茶水表面有层膜，是什么意思呢？

米歇尔·弗兰克“坦白”：“如果茶凉了，我会在喝之前用微波炉重新加热。”  Francl 是美国布林莫尔学院的化学家。 在一篇题为《化学家的一杯茶》的文章中，凉茶表面漂浮着一层薄膜，这让她很难喝一口——必须重新加热茶，或者泡茶时事先挤一点柠檬汁 .  

 卡罗琳·贾科明一开始并没有特别关注这部电影。 直到一位来自中国台湾的同学向贾克明抱怨说，关于茶的电影对他来说实在是难以忍受，所以他不打算再喝茶了。  

 贾克明是苏黎世瑞士联邦理工学院健康科学与技术系的博士生。 她加入了一个主要研究与界面相关的科学问题的研究小组。 当她和导师讨论博士研究课题时，导师给了她一些值得研究的课题。 令贾克明意外的是，“茶水界面”竟然列在其中。 除了之前和同学的对话，她决定自己研究这部电影。 最终，她的发现发表在《流体物理学》杂志上。  

 贾克明的茶杯里，有时能看到有光泽的茶膜，有时不能。 而且，如果你等一会再喝泡好的茶，你会发现茶膜像冰层一样裂开。 但如果肉眼看不到，那片子真的不存在吗？ 膜的碎裂与哪些因素有关？ 是否可以防止膜破裂？  

 化学家“铺平”了道路 

 1990 年代，有 2 位化学家对茶情有独钟：Michael Spiro 和 Degratius Jia Degratius Jaganyi。 他们一共写了14篇关于茶的论文，其中7篇是解释茶膜的化学现象，包括化学成分和影响茶膜形成的各种因素。 看到茶膜，有时看不到”提供了化学动力学解释。

 对于科学家来说，实验室是制作茶的理想场所——几百毫升的玻璃烧杯是优质的茶杯子和恒温水浴使他们能够相对精确地控制“茶”的温度。  Spiro 和 Jaganyi 将红茶包放入烧杯中，用 80°C 水冲泡 5 分钟，然后取出茶包，让茶静置一会儿。  

 此前，有科学家认为，茶膜是茶叶用沸水冲泡后，茶叶上的蜡质层“飘”到水面上。 但Spiro和Jaganyi在实验室用蒸馏水冲泡茶时（无机物和有机物等杂质极少），并没有出现茶膜。 这说明仅仅依靠茶叶和较高的水温是不能产生茶膜的，水中的某些成分必须起到关键作用。 他们通过进一步的实验证实，钙离子和碳酸氢根离子是诱导茶膜形成的关键，但仅靠钙离子或碳酸氢根离子并不能让茶膜“出现”，必须是两者的结合。  

 此外，酸碱度和氧气浓度也会影响茶膜的形成。 例如，碱度越高，即水的硬度越高，越容易形成茶膜。 而且，如果用氮气代替空气，就很难看到茶膜，所以茶膜的形成必然涉及到氧气和氧化反应，这也是茶垢和茶垢的区别之一。  

同时通过扫描电镜、质谱、微量分析等检测手段，Spiro和Jaganyi进一步分析了茶膜的成分：茶膜实际上是由有机物（主要含碳 、氢、氧）和无机物质（包括碳酸盐和氢氧化物）。 其中，几乎所有的钙离子和钠离子都来自于水，几乎所有的钾离子、锰离子和铝离子都来自茶叶。 他们还特别指出，该薄膜中的碳酸盐和氢氧化物以不溶性化合物的形式独立存在，而有机物为这些不溶性无机物提供了物理支撑——从扫描电子显微镜（SEM）来看，碳酸钙颗粒“停留”在 有机物的表面。  

 Spiro 和 Jaghan 还试图写出茶膜的分子式。 他们推测，静置1小时后，一个“茶膜分子”将由约45个碳原子、50个氢原子、40个氧原子和2.7个二价金属离子组成，摩尔质量甚至可以达到1400克左右。  

 实现一个化学过程需要跨越多少能垒，即需要多少能量才能使反应过程顺利进行，是化学家非常关心的问题。 通过精确调节静止时的茶温，并根据 Arrhenius 方程，Spiro 和 JaganYi计算了形成茶膜的活化能：34 kJ/mol。 这是一个相对较高的能垒，大于扩散所需的活化能（15.8 kJ/mol，根据 Stokes-Einstein 关系计算）。 扩散包括离子在溶液中的扩散，以及气体从空气中扩散到溶液中。 只有当反应物扩散后“相遇”碰撞，即发生化学反应，才有可能形成茶膜。  

 但是在茶杯中泡茶时，有时水温会下降得很快，所以在茶膜形成之前就损失了大量的热量。 反之，如果用保温性较好的陶瓷茶壶泡茶，茶的散热会比较慢，所以通常会看到茶膜，茶壶里会留下较多的茶垢，这些都是 富含矿物质（如钙离子、镁离子）还可以诱发下茶膜的形成。 这与贾科明不谋而合。 贾克明打趣说，如果想一直看到茶杯里的茶膜，最好不要洗茶杯。  

 通过流变学“看”茶膜 

 基于以上两位化学家的研究，贾克明想从流变学的角度来观察膜，分析膜的力学性能，而不是 化学性质。  

 早在 1678 年，罗伯特·胡克就提出了胡克定律——对于固体，在一定压力下，材料中的应力与应变（变形程度）成正比线性关系，这种材料称为胡克弹性 固体。 在胡克的论文发表九年后，伊萨克牛顿解决了剪切流体的流动问题，并提出了牛顿粘度定律（也称为牛顿内摩擦定律）。 流体是指液体或气体。 当流体在外力作用下流动时，会产生内应力来抵抗外力。 牛顿指出，流体的剪切应力与其流速之间存在线性关系，符合这一定律的流体称为牛顿流体，如水和酒精。  

 但事实上，并不是所有的物质运动都可以用胡克定律或牛顿粘度定律来解释。 有一类材料在一定条件下表现出胡克固体的特性，如弹性变形（瞬态、返回变形），而在其他条件下表现得像流体，即发生粘性流动（连续流动）。 无法恢复的流量）。 流变学研究这些奇异的材料。 根据美国化学家尤金·宾厄姆换句话说，流变学是研究材料变形和流动的一门新科学分支。  

 对于贾克明，她想知道膜的弹性和粘度。 另外，薄膜介于水和空气之间，因此她选择了双锥界面流变仪。  

 值得一提的是，为了描述茶膜的力学性能，贾克明不得不使用“模量”指标。 与胡克和牛顿得出的定律类似，模量衡量应力和应变之间的关系。 此外，对于茶膜等复杂材料，对应的模量为弹性模量（G′）和粘性模量（G″），也可称为储能模量和损耗模量。 

 以确定 在钙离子的作用下，贾克明准备了 6 种不同浓度的碳酸钙溶液（0、10、25、50、100 和 200 mg/L），几乎不含其他金属离子，并用这些溶液代替水泡茶。 令贾克明意外的是，她并没有看到茶膜，但肉眼看不见的膜却被流变仪“看到”了。

贾克明发现，当剪应力固定为幅值（0.3%）时， 在进行动态时间扫描时，对于碳酸钙浓度为 50、100 和 200 mg/L 的溶液，茶膜的弹性模量大于粘性模量（G′ > G″），即当碳酸钙浓度 低于 50 mg/L，茶膜呈流体状（G″ > G′）。 也就是说，碳酸钙浓度越低，茶膜的流动性越强。 此外，与 Spiro 和 Jaghani 获得的结果相似，当用超纯水（几乎不存在金属离子）冲泡茶时，不仅茶膜不可见，而且流变仪也检测不到。

 如前所述，我们往往会看到破裂的茶膜，所以贾克明想看看有多少应力幅可以使这种膜破裂。 如果用“模量”来表示膜何时破裂（膜强度），即损耗模量大于储能模量的时间。 在这里，储存和损失这两个术语让我们可以更直观地使用储存和损失这两个术语，而不是弹性和粘性感觉“为什么薄膜会破裂”。

 当碳酸钙浓度较高时（100 和 200 mg/L  ），较低的剪应力幅值（0.5%）可以破坏茶膜，即G″ > G′。 然而，当碳酸钙浓度降低到 50 mg/L 时，泡茶需要更高的应力幅值（0.8%）薄膜分裂，因此以能量储存为主（G'> G''）的茶膜更具延展性且不易碎。 但对于10和25 mg/L，无论应力变化如何，损耗模量始终大于弹性模量，此时茶膜就像流体，难以形成。

如何 关于柠檬茶？

市场上最常见的茶是柠檬茶。 这不仅仅是因为柠檬的味道，背后还有一定的科学原理。  Spiro和Jaganyi已经发现柠檬酸可以抑制茶膜的形成和生长。 这是因为柠檬酸可以与钙离子等金属离子发生络合反应，从而降低游离金属离子的浓度，而钙离子是茶膜形成的关键。 贾克明发现，加入柠檬酸后，虽然看不到茶膜，但流变仪“表明”茶膜仍然存在，但此时茶膜的模量降低了，即柠檬酸可以 软化茶膜，使膜更具拉伸性，同时增加其机械强度。

膜在瓶装饮料中发挥着重要作用。

事实上，在瓶装茶饮料中，我们不太可能 肉眼看到上面漂浮着一层薄膜，多半是因为它含有柠檬酸或其他络合物，能抑制茶膜的形成。 此外，当茶膜不可避免时，例如在奶茶饮料中，少量的柠檬酸也可以通过增加茶膜的机械强度来稳定茶膜。  

 Franzl 写道，每次她将柠檬汁挤入红茶中时，都会让她回到大学的基础化学课，并想起让她不寒而栗的期中考试题。 当时，她的化学教授雪莉·罗兰问他们：“柠檬为什么会使茶变淡？请写出相应的化学方程式。”