茶水表面有层膜，是茶脏了还是茶杯脏了？

米歇尔·弗兰克尔坦白:如果茶凉了，我会用微波炉加热后再喝美国弗兰克尔布林莫尔学院的一名化学家在一篇题为一名化学家的茶渣的文章中写道，一层薄膜会漂浮在凉茶的表面，这让她很难喝一口——她不得不在泡茶前重新加热茶或挤一点柠檬汁

这部电影一开始并没有引起卡罗琳·贾科姆的特别注意直到一位来自中国台湾省的同学向Giacomin抱怨说，茶上的膜让他受不了，所以他不打算再喝茶了

Giacomin是瑞士苏黎世联邦理工学院健康科学与技术系的博士生她的研究小组主要研究与界面相关的科学问题她和导师讨论博士研究课题时，导师给她提供了一些值得研究的课题令Giacomin惊讶的是，茶的界面被列在其中再加上之前和同学的对话，她决定自己研究这部电影最后，她的研究成果发表在《流体物理学》杂志上

在Giacomin的茶杯里，有时她能看到闪亮的茶片，有时却看不到而且，等一段时间再喝泡好的茶，会发现茶膜像冰一样裂开但如果肉眼看不到，这部片子真的不存在吗哪些因素与膜的破碎有关有可能防止膜开裂吗

化学家铺平道路。

在20世纪90年代，有两位化学家对茶情有独钟:迈克尔斯·皮罗和德奥格雷修斯·贾甘伊他们一共写了14篇关于茶的论文，其中7篇是在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更重要的是，它们还为有时茶杯里能看到茶膜，有时看不到提供了一种化学动力学解释

对于科学家来说，实验室是泡茶的绝佳场所——一个几百毫升的玻璃烧杯就是一个极好的茶杯，而恒温水浴锅可以让他们相对准确地控制茶的温度斯皮罗和贾加尼将红茶包放入烧杯中，用80℃的水冲泡5分钟，然后取出茶包，让茶叶静置一会儿

此前有科学家认为，用开水泡茶时，茶叶上的蜡质层会浮到水面但当斯皮罗和贾加尼在实验室用蒸馏水泡茶时，并没有茶膜这说明仅仅依靠茶叶和高水温是无法产生茶膜的，水中的一些成分肯定起了关键作用通过进一步的实验，他们证实了钙离子和碳酸氢根离子是诱导茶膜形成的关键，但单用钙离子或碳酸氢根离子并不能使茶膜显现，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比如碱度越高，也就是水的硬度越高，就越容易形成茶膜而且如果把空气换成氮气，很难看到茶膜，所以茶膜的形成必然涉及氧气和氧化反应，这也是茶垢和水垢的区别之一

同时，通过扫描电镜，质谱，微量分析等测试方法，spiro和Jagani进一步分析了茶膜的组成:茶膜实际上是由有机物和无机物组成的其中，钙离子和钠离子几乎都来自于水，而钾离子，锰离子和铝离子几乎都来自于茶他们还特别指出，这种薄膜中的碳酸盐和氢氧化物是以不溶性化合物的形式独立存在的，而有机物则为这些不溶性无机物提供了物理支撑——从扫描电镜来看，碳酸钙颗粒停留在有机物表面

斯皮罗和贾加尼还试图写出茶膜的分子式他们推测，静置1小时后，一个茶膜分子将由大约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，其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量垒，即需要多少能量才能使反应过程顺利进行，这是化学家极其关心的问题根据arrhenius公式，spiro公式和Jagani公式，通过精确控制茶叶静置温度，茶叶成膜活化能为34 kJ/mol这是一个相对较高的能垒，大于扩散所需的活化能包括扩散离子在溶液中的扩散和气体从空气向溶液中的扩散只有反应物扩散后相遇碰撞，即发生化学反应，才能形成茶膜

但用茶杯泡茶，有时水温下降很快，所以在茶膜形成之前就损失了很多热量相反，如果用保温性好的陶瓷茶壶泡茶，茶叶散热较慢，所以通常能看到茶膜，茶壶内会留下更多茶渍，而这些富含矿物质的茶渍也能诱发下一层茶膜的形成这与贾科明不谋而合贾科明开玩笑说，如果你想一直在茶杯里看茶片，最好不要洗杯子

通过流变学看茶膜

基于以上两位化学家的研究，Giacomin想从流变学的角度来观察这种薄膜，分析它的力学性质，而不是化学性质。

早在1678年，罗伯特·胡克就提出了胡克定律——对于固体来说，在一定的压力下，材料中的应力和应变之间存在线性关系这种材料叫做胡克弹性固体胡克发表论文9年后，伊萨克·牛顿解决了剪切流体的流动问题，提出了牛顿粘性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指出牛顿流体的剪切应力与其流量之间存在线性关系，符合这一规律的流体称为牛顿流体，如水，酒精等

但实际上，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种材料在一定条件下表现出虎克固体的特征，如弹性变形，而在其他条件下，表现为流体，即发生粘性流动流变学研究这种奇怪的材料美国化学家尤金·宾汉姆认为，流变学是研究材料变形和流动的一个新分支

对于Giacomin，她想知道这种薄膜的弹性和粘度此外，这种薄膜位于水和空气之间，所以她选择了双锥界面流变仪

值得一提的是，为了描述茶膜的机械性能，Giacomin不得不使用模量指数类似于胡克定律和牛顿定律，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，对应的模量有弹性模量和粘性模量，也可称为储能模量和损耗模量

为了确定钙离子的作用，Giacomin制备了6种不同浓度的碳酸钙溶液，几乎不含其他金属离子，并用这些溶液代替水泡茶令Giacomin惊讶的是，她没有看到茶膜，但隐形膜被流变仪看到了

Giacomin发现，当剪切应力的振幅固定且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，tea膜的弹性模量大于粘性模量，即它是固体，而当碳酸钙浓度低于50毫克/升时，茶膜是流体.换句话说，碳酸钙的浓度越低，越能使茶膜流动此外，与spiro和Jagani得到的结果类似，用超纯水泡茶时，不仅看不到茶膜，流变仪也检测不到

正如上一篇文章中提到的，我们经常看到破裂的茶膜，所以Giacomin想看看什么应力幅度可以使这种膜破裂如果用模量来表示膜何时会开裂，则是当损耗模量大于储能模量时在这里，相对于弹性和粘性，使用储能和损耗这两个词，可以让我们更直观地感受到为什么膜破了

当碳酸钙浓度较高时，较低的剪切应力幅值能使茶膜破裂，即G″gt，可是，当碳酸钙浓度降低到50毫克/升时，需要较高的应力幅才能使茶膜开裂，因此储能是主要因素茶膜更坚韧但不易碎但对于10 mg/L和25 mg/L，无论应力如何变化，损耗模量始终大于弹性模量这时候的茶膜就像流体一样，很难成型

在Giacomin眼里，茶膜是一种闪亮而美丽的东西所以为了看这部茶片，她在文末建议:不要洗茶杯

柠檬茶怎么样。

市面上最常见的茶是柠檬茶这不仅仅是因为柠檬的味道，更是因为它背后的某些科学原理spiro Jagani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能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科明发现，加入柠檬酸后，虽然看不到茶膜，但流变仪指示茶膜仍然存在，但此时茶膜的模量降低了，即柠檬酸可以软化茶膜，使其更容易拉伸，同时增加其机械强度

Giacomin说，这种强度更高的薄膜在瓶装饮料中起着重要作用。

事实上，在瓶装茶饮料中，我们用肉眼看到浮膜的可能性不大这多半是因为它含有柠檬酸或其他络合物，能抑制茶膜的形成而且当茶膜不可避免的出现时，比如在奶茶饮料中，加入一点柠檬酸也可以通过增加其机械强度来稳定茶膜

Francl写道，每次她把柠檬汁挤到红茶里，都会让她再次回到大学里的基础化学课，让她想起让她心神颤抖的期中考试题当时，她的化学教授雪莉·罗兰问他们:为什么柠檬会使茶的颜色变浅请写出相应的化学方程式

参考链接: