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巧克力登上《欧洲物理杂志》Highlights,这两个成电本科生真有才!
来源:不详 作者:佚名 日期:2017年05月11日 访问次数:

你知道吗?

  巧克力会在24℃开始融化。然而,当完全融化的巧克力从30℃降温到24℃时却没有凝固,继续降温到10℃左右才凝固,这就是巧克力“相变”中的“滞后现象”。

  这个“滞后”现象,不仅会影响巧克力的保存,还会影响巧克力的口感。

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  2017年3月,出自成电学子之手的一篇教学研究论文《巧克力相变中的滞后》成功入选著名SCI教学期刊《欧洲物理杂志》(European Journal of Physics)2016年度Highlights,并且位列第一栏,对巧克力的这种相变“滞后现象”进行了揭密。

  论文的作者是物理电子学院2016届本科毕业生任瑞龙、逯群峰。这篇论文完成于2015年8月,最终于2015年12月9日发表在《欧洲物理杂志》上,截止2016年底,被下载次数达到2300次以上。

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  从普通的巧克力到高大上的Highlights论文,他们是如何做到的呢?一起来看看吧!

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  “巧克力相变中的滞后”原本是2014年中国大学生物理学术竞赛中的一道开放性题目。

  我校参赛代表队由物电学院吴喆、李业凤等老师带队,队员由从各学院选拔出的6名本科生组成。任瑞龙和逯群峰当时都是物电学院2012级本科生,两人还是老乡,私底下关系也很好,于是一起报名参加了比赛。

  大赛参照第27届国际青年物理学家锦标赛的规则和题目,在力、热、光、电等物理分支下共设17个开放性的题目。按照比赛规则,有些题目本来是可以放弃的。“有两道题我们的准备不够充分,其中一道就是巧克力相变滞后问题,”任瑞龙说,由于比赛的时间和场地限制,参赛队没有太多时间研究,而且当时找了很多理论,都无法完全从微观上进行解释。

  当时,绝大多数队伍在遇到“巧克力相变中的滞后”时纷纷选择了放弃。而展示这道题的队伍,也因为没有理论支持,仅仅只有实验,因此只得到了很低的分数。这道题目因此给任瑞龙、逯群峰等队员们留下了十分深刻的印象。虽然比赛结束了,但是他们对这个问题的研究从未止步。

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任瑞龙(左)逯群峰(右)

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  竞赛结束后,任瑞龙、逯群峰返回学校,更加深入的研究才刚刚开始。“这是一个比较大的挑战,也是一个十分有趣的问题。”任瑞龙表示,高难度和趣味性极大地激发了他们的斗志。那么,深化研究从何处着手呢?

  从大赛过程中的情况来看,问题的关键在于如何找到一种恰当的理论进行科学合理的解释,于是他们向滕保华教授请教。滕保华老师十分支持同学们的研究,并给了一个重要的提示:巧克力相变的图像和“朗道-德冯谢亚唯象理论”(Landau-Devonshire)的图像非常相似。

  这一点拨让他们十分兴奋,但正所谓“前途是光明的,道路是曲折的”。经过初步研究之后,他们肯定:巧克力相变中的滞后现象和“朗道-德冯谢亚唯象模型”之间的契合度非常高。但是,怎么找到这种内在的关联呢?

  随后,他们从微观和宏观两个层面着手查询资料,在参考了大量的研究成果之后,他们认为,巧克力本身是很复杂的混合物,包含可可脂、蛋白质等等丰富的成分。仅仅考虑某一种成分的相变性质是不合理、不科学的,而要考虑每一种成分的相变性质又会产生大量的变量,从而增加研究的难度。

  针对这种情况,他们最终选用唯象理论进行解释,即跳出对微观细节的讨论,从宏观层面进行研究,通过建立平方反比关系,把实验变量与理论模型参数紧密联系起来,使实验曲线与理论曲线更好的吻合,从而得到巧克力滞后现象的唯象解释。


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实验示意图

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  为了进行实验验证,他们设计了一个巧妙的实验装置:把加热融化后的巧克力放入培养皿里,敷平表面后放入冰箱里凝固,作为样本。然后,取一个乒乓球,用针管注满水,作为“测量仪器”。

  一切就绪后,开始用恒温水浴箱加热巧克力样本,在达到要求温度并保持3秒之后,从恒温水浴箱拿出培养皿,轻轻地把乒乓球放进去,乒乓球会在逐渐融化的巧克力上压出一个窝窝。在温度跳变3次后,把乒乓球拿起来,测量乒乓球沾到巧克力圆形区域的直径。

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实验图

  这个实验,他们反复做了一个月。“我们当时做一次实验就要用一盒巧克力,还是用掉了不少巧克力”,任瑞龙笑着说。

  最终,他们利用一些很简单的实验器材,获得了大量有用的数据。尤其是,在他们的转化思维和巧妙计算下,这些数据最终证明了:实验结果的图像和“朗道-德冯谢亚唯象模型”非常吻合。

  这一结论,让他们对之前的理论设想充满了信心。2015年3月,他们开始着手撰写研究论文。由于要兼顾日常课业,论文的撰写,他们只能课余挤时间做,每周末从下午1点到晚上8点左右,坐在教研室里推敲修改。在滕保华老师的指导和帮助下,最终,论文在经历了40多遍修改后出炉。2015年12月9日,论文在《欧洲物理杂志》上发表。

  本科毕业后,任瑞龙和逯群峰都留在学校继续读研。回想起从实验到论文的过程,逯群峰说,“这是一次有趣的学术探险。在这次探险中,我们首先要感谢老师们和同学们的指导帮助。没有他们,这篇论文绝对不会有我们现在看到的影响。这次学术历练,让我们感到本科阶段的大学生活是精彩而无憾的。”

  《欧洲物理杂志》是国际公认的物理教学研究高水平期刊之一,也是为数不多的被SCI收录的教学研究高水平期刊之一。据了解,每年在该期刊上发表的来自中国的论文不超过10篇。而Highlights文章,需经《欧洲物理杂志》刊登后被所有的《欧洲物理杂志》讨论组和外界所有同行审核并得到相当的认可后,才能进入榜单,是一种相当难得的荣誉。

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