茶水表面有層膜，是茶臟了還是茶杯臟了？

米歇爾·弗蘭克爾坦白:如果茶涼了，我會用微波爐加熱后再喝美國弗蘭克爾布林莫爾學院的一名化學家在一篇題為一名化學家的茶渣的文章中寫道，一層薄膜會漂浮在涼茶的表面，這讓她很難喝一口——她不得不在泡茶前重新加熱茶或擠一點檸檬汁

這部電影一開始并沒有引起卡羅琳·賈科姆的特別注意直到一位來自中國臺灣省的同學向Giacomin抱怨說，茶上的膜讓他受不了，所以他不打算再喝茶了

Giacomin是瑞士蘇黎世聯邦理工學院健康科學與技術系的博士生她的研究小組主要研究與界面相關的科學問題她和導師討論博士研究課題時，導師給她提供了一些值得研究的課題令Giacomin驚訝的是，茶的界面被列在其中再加上之前和同學的對話，她決定自己研究這部電影最后，她的研究成果發表在《流體物理學》雜志上

在Giacomin的茶杯里，有時她能看到閃亮的茶片，有時卻看不到而且，等一段時間再喝泡好的茶，會發現茶膜像冰一樣裂開但如果肉眼看不到，這部片子真的不存在嗎哪些因素與膜的破碎有關有可能防止膜開裂嗎

化學家鋪平道路。

在20世紀90年代，有兩位化學家對茶情有獨鐘:邁克爾斯·皮羅和德奧格雷修斯·賈甘伊他們一共寫了14篇關于茶的論文，其中7篇是在解釋茶膜的化學現象，包括化學成分和影響茶膜形成的各種因素更重要的是，它們還為有時茶杯里能看到茶膜，有時看不到提供了一種化學動力學解釋

對于科學家來說，實驗室是泡茶的絕佳場所——一個幾百毫升的玻璃燒杯就是一個極好的茶杯，而恒溫水浴鍋可以讓他們相對準確地控制茶的溫度斯皮羅和賈加尼將紅茶包放入燒杯中，用80℃的水沖泡5分鐘，然后取出茶包，讓茶葉靜置一會兒

此前有科學家認為，用開水泡茶時，茶葉上的蠟質層會浮到水面但當斯皮羅和賈加尼在實驗室用蒸餾水泡茶時，并沒有茶膜這說明僅僅依靠茶葉和高水溫是無法產生茶膜的，水中的一些成分肯定起了關鍵作用通過進一步的實驗，他們證實了鈣離子和碳酸氫根離子是誘導茶膜形成的關鍵，但單用鈣離子或碳酸氫根離子并不能使茶膜顯現，必須是兩者的結合

此外，酸堿度和氧氣濃度也會影響茶膜的形成比如堿度越高，也就是水的硬度越高，就越容易形成茶膜而且如果把空氣換成氮氣，很難看到茶膜，所以茶膜的形成必然涉及氧氣和氧化反應，這也是茶垢和水垢的區別之一

同時，通過掃描電鏡，質譜，微量分析等測試方法，spiro和Jagani進一步分析了茶膜的組成:茶膜實際上是由有機物和無機物組成的其中，鈣離子和鈉離子幾乎都來自于水，而鉀離子，錳離子和鋁離子幾乎都來自于茶他們還特別指出，這種薄膜中的碳酸鹽和氫氧化物是以不溶性化合物的形式獨立存在的，而有機物則為這些不溶性無機物提供了物理支撐——從掃描電鏡來看，碳酸鈣顆粒停留在有機物表面

斯皮羅和賈加尼還試圖寫出茶膜的分子式他們推測，靜置1小時后，一個茶膜分子將由大約45個碳原子，50個氫原子，40個氧原子和2.7個二價金屬離子組成，其摩爾質量甚至可以達到1400克左右

實現一個化學過程需要跨越多少能量壘，即需要多少能量才能使反應過程順利進行，這是化學家極其關心的問題根據arrhenius公式，spiro公式和Jagani公式，通過精確控制茶葉靜置溫度，茶葉成膜活化能為34 kJ/mol這是一個相對較高的能壘，大于擴散所需的活化能包括擴散離子在溶液中的擴散和氣體從空氣向溶液中的擴散只有反應物擴散后相遇碰撞，即發生化學反應，才能形成茶膜

但用茶杯泡茶，有時水溫下降很快，所以在茶膜形成之前就損失了很多熱量相反，如果用保溫性好的陶瓷茶壺泡茶，茶葉散熱較慢，所以通常能看到茶膜，茶壺內會留下更多茶漬，而這些富含礦物質的茶漬也能誘發下一層茶膜的形成這與賈科明不謀而合賈科明開玩笑說，如果你想一直在茶杯里看茶片，最好不要洗杯子

通過流變學看茶膜

基于以上兩位化學家的研究，Giacomin想從流變學的角度來觀察這種薄膜，分析它的力學性質，而不是化學性質。

早在1678年，羅伯特·胡克就提出了胡克定律——對于固體來說，在一定的壓力下，材料中的應力和應變之間存在線性關系這種材料叫做胡克彈性固體胡克發表論文9年后，伊薩克·牛頓解決了剪切流體的流動問題，提出了牛頓粘性定律流體是指液體或氣體當流體在外力作用下流動時，會產生內應力來抵抗外力指出牛頓流體的剪切應力與其流量之間存在線性關系，符合這一規律的流體稱為牛頓流體，如水，酒精等

但實際上，并不是所有的物質運動都可以用胡克定律或牛頓粘度定律來解釋有一種材料在一定條件下表現出虎克固體的特征，如彈性變形，而在其他條件下，表現為流體，即發生粘性流動流變學研究這種奇怪的材料美國化學家尤金·賓漢姆認為，流變學是研究材料變形和流動的一個新分支

對于Giacomin，她想知道這種薄膜的彈性和粘度此外，這種薄膜位于水和空氣之間，所以她選擇了雙錐界面流變儀

值得一提的是，為了描述茶膜的機械性能，Giacomin不得不使用模量指數類似于胡克定律和牛頓定律，模量衡量應力和應變之間的關系此外，對于茶膜等復雜材料，對應的模量有彈性模量和粘性模量，也可稱為儲能模量和損耗模量

為了確定鈣離子的作用，Giacomin制備了6種不同濃度的碳酸鈣溶液，幾乎不含其他金屬離子，并用這些溶液代替水泡茶令Giacomin驚訝的是，她沒有看到茶膜，但隱形膜被流變儀看到了

Giacomin發現，當剪切應力的振幅固定且進行動態時間掃描時，對于碳酸鈣濃度為50，100和200 mg/L的溶液，tea膜的彈性模量大于粘性模量，即它是固體，而當碳酸鈣濃度低于50毫克/升時，茶膜是流體.換句話說，碳酸鈣的濃度越低，越能使茶膜流動此外，與spiro和Jagani得到的結果類似，用超純水泡茶時，不僅看不到茶膜，流變儀也檢測不到

正如上一篇文章中提到的，我們經?？吹狡屏训牟枘?，所以Giacomin想看看什么應力幅度可以使這種膜破裂如果用模量來表示膜何時會開裂，則是當損耗模量大于儲能模量時在這里，相對于彈性和粘性，使用儲能和損耗這兩個詞，可以讓我們更直觀地感受到為什么膜破了

當碳酸鈣濃度較高時，較低的剪切應力幅值能使茶膜破裂，即G″gt，可是，當碳酸鈣濃度降低到50毫克/升時，需要較高的應力幅才能使茶膜開裂，因此儲能是主要因素茶膜更堅韌但不易碎但對于10 mg/L和25 mg/L，無論應力如何變化，損耗模量始終大于彈性模量這時候的茶膜就像流體一樣，很難成型

在Giacomin眼里，茶膜是一種閃亮而美麗的東西所以為了看這部茶片，她在文末建議:不要洗茶杯

檸檬茶怎么樣。

市面上最常見的茶是檸檬茶這不僅僅是因為檸檬的味道，更是因為它背后的某些科學原理spiro Jagani已經發現檸檬酸可以抑制茶膜的形成和生長這是因為檸檬酸能與鈣離子等金屬離子發生絡合反應，從而降低游離金屬離子的濃度，而鈣離子是茶膜形成的關鍵賈科明發現，加入檸檬酸后，雖然看不到茶膜，但流變儀指示茶膜仍然存在，但此時茶膜的模量降低了，即檸檬酸可以軟化茶膜，使其更容易拉伸，同時增加其機械強度

Giacomin說，這種強度更高的薄膜在瓶裝飲料中起著重要作用。

事實上，在瓶裝茶飲料中，我們用肉眼看到浮膜的可能性不大這多半是因為它含有檸檬酸或其他絡合物，能抑制茶膜的形成而且當茶膜不可避免的出現時，比如在奶茶飲料中，加入一點檸檬酸也可以通過增加其機械強度來穩定茶膜

Francl寫道，每次她把檸檬汁擠到紅茶里，都會讓她再次回到大學里的基礎化學課，讓她想起讓她心神顫抖的期中考試題當時，她的化學教授雪莉·羅蘭問他們:為什么檸檬會使茶的顏色變淺請寫出相應的化學方程式

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