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用微波炉加热两颗葡萄之后

2019-02-27

Ada2019-02-27

用微波炉加热两颗葡萄之后

首先,不要问为什么会有人用微波炉“叮”葡萄。但这确实已是个不算太冷的“冷知识”:把一颗新鲜葡萄一切两半,放进微波炉加热,不久后就能见到耀眼的火光,严重时甚至能爆掉整个微波炉。


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互联网上可以搜到许多视频,一些博主甚至总结出了“技术要点”:切葡萄时不能完全切断,而要保持表皮的粘连。





可以确定的是,如此耀眼的光芒是由等离子体产生的。等离子体是原子被电离、失去部分电子后形成的离子化气体状物质,通常被视作固、液、气以外的第四态。


名字虽然抽象,但提起太阳和闪电,我们或许对等离子体能有一个直观的了解。在日光灯、电脑芯片等日用品里,人造等离子体也扮演了重要角色。


在葡萄这个案例里,则是其中富含的钠和钾元素在强电磁场里被电离了。但是,这个强电磁场是如何产生的呢?一些人认为,两瓣葡萄恰如无线电的一对偶极天线,而切开的表皮湿润导电,起到了桥梁的作用。果真如此吗?


奇妙的水球


加拿大特伦特大学物理系的Aaron D. Slepkov和Hamza K. Khattak还有康考迪亚大学的Pablo Bianucci开始较真了。他们用慢镜头分析葡萄在微波炉里叮爆的瞬间,发现爆炸一开始并不出现在朝上湿润的开口处,而是表皮连接处偏下一点。


他们由此得出结论,所谓的“桥梁”是否湿润或导电并不重要,只需要两个球状物保持近距离即可。这也解释了,两个紧挨在一起的完整葡萄也会在微波炉里爆炸。





不过,不是什么球状物都会被叮爆。水是一个至关重要的因素。在微波炉的频段里,水的介电常数比较大,即对微波的吸收率很小,可以困出大量微波。两个水球形成了共振腔,犹如一个陷阱,将各自困住的微波在交界处叠加起来。通常情况下,这是金属纳米结构才能完成的任务。这电离了葡萄中的钾、钠元素,形成高温等离子体。


为了等离子体共振腔的形成与葡萄的其他内部成分和脉络无关,研究人员用纯净水做出了两个大小与葡萄相似的水凝胶珠,用氯化钠溶液短暂浸泡后放入微波炉,果然也发生了“爆炸”。





有趣的是,两个珠子受到微波辐射后出现了几次弹跳。目前,这个富有好奇心的研究团队还在试图解释这种振荡。


鹌鹑蛋实验


更大的“水球”,比如西红柿,就不太容易威胁到你的厨房了。Slepkov、Khattak和Bianucci发现,只有尺寸局限在一定范围内,才会在两球的交界处出现短暂的热点集中。


微波炉的原理是食物中的极性分子被微波振荡而发热。因此,在实际使用微波炉时,我们会发现食物不像正常情况下由外而内变热,反而是从内部开始加热的。


这也是鸡蛋也在 “微波黑名单”上的原因。鸡蛋内部的蛋黄会率先过热,剧烈膨胀超过蛋壳的承受范围,瞬间爆裂。


在下图里,研究团队分别对微波炉里两种尺寸的水凝胶珠进行热成像分析。两颗直径1.6厘米的水凝胶珠在交界处出现了明显的热点区域,而两颗直径4.5厘米的水凝胶珠出现了几处分散的热点,分别位于交界处和两颗水珠的内部中心。





由于热成像仪依赖于物体内部的吸收效应,对物体外部的热场分布并不敏感。为了更严谨地确定只有两颗葡萄的交界处产生了热点,Slepkov、Khattak和Bianucci又想出了一个新点子。


这下,经历了被腰斩、直播爆炸、量体温等一系列折腾的葡萄,还要享受“纸条裹尸”的待遇:研究人员用感热纸条把葡萄围了一圈,一旦某处温度超过阀值,纸上就会出现黑点。


果然,加热1到3秒后,两张纸条交接的地方就各自出现了一个明显的黑点。





他们更“丧心病狂”地把两只鹌鹑蛋也拖下水,裹上感热纸条如法炮制,交界处的黑点也出现了;


再用针在蛋壳上扎一个小孔清空蛋液,加热空蛋壳,黑点没有出现;


用水重新注满空蛋壳,黑点又出现了……


这下,Slepkov、Khattak和Bianucci终于满意地排除了表面导电性和内部结构的因素,总结出了什么样的东西才能被微波炉叮爆:球状、主要是水、不能太大、距离够近。


好消息是,这些葡萄和鹌鹑蛋并没有白白牺牲。Slepkov、Khattak和Bianucci的论文《葡萄等离子体起源于水性二聚物形成的微波共振》近日发表在了顶级学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上了。


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他们认为,在葡萄等离子体的启发下,可以用水来探索微波频段的独特共振几何结构,当做一个迷你的沙盘。未来可能的应用包括被动式全向无线天线、超分辨率微波成像等。

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