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科学家“卧底”小吃摊：夜市上的美味“地沟油(2)

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图 4. （a）不同温度进行开锅之后的铁锅碎片照片。（b）-（e）新锅与不同温度下开锅之后，铁锅碎片的SEM图，其中450℃开锅之后铁表面出现了 100 nm 左右的纳米球，375℃ 和 525℃ 则分别呈现褶皱状与肥肠状的形貌；（f）新锅与不同温度开锅之后的铁锅碎片的 XRD 谱图。

三. 不粘

这些 Fe3O4纳米球更是铁锅不粘食材，并让食材鲜嫩多汁的关键。如图 5（a）所示，物体表面精细结构可以使其在宏观上具有（超）疏水特性，然而传统的 Wenzel[3]与 Cassie-Baxter 模型[4]都难以解释球面精细结构的作用机理。因此，作者进一步通过解析与数值方法分析了 Fe3O4纳米球对铁锅表面接触角的贡献。如图 5（d）所示，当铁锅表面水量较大的时候，水会润湿纳米球并滑落至相邻 Fe3O4纳米球，此时为锐角接触角——亲水表面；而当水量减少，水滴会逐渐爬升至 Fe3O4纳米球之上，转变为钝角接触角——疏水表面。这一特性被命名为“条件疏水性”，而条件疏水性对烹饪至关重要：如图 5（b）和（c）所示，当食材刚刚放入油锅，其含水量较大的时候，会润湿铁锅表面，从而实现热量的快速传递，将食材表面迅速变熟；而当食材水分逐渐流失，其在铁锅表面的润湿程度也随之下降，传热速率变慢，从而保证了食材能够不粘锅且鲜嫩多汁。这也是只有开到极致的铁锅才能烹制地沟油炒粉的原因：河粉含水量大，热容小，表面不够先进的铁锅很容易将河粉烧糊导致粘锅。

图 5. （a）Wenzel 模型、Cassie-Baxter 模型可以解释表面具有圆柱的材料疏水特性，但难以解释开锅之后铁锅具有的“条件疏水性”。（b）-（d）铁锅表面的 Fe3O4纳米球赋予铁锅“条件疏水性”，并保证了食材烹制后的鲜嫩多汁。

四. 机理

那么在开锅过程中，铁锅表面到底经历了什么才使得其表面生长出茂盛的 Fe3O4纳米球呢？作者探究了 Fe3O4纳米球的生长机理。如图 6（a）所示，动物油与动物油/铁锅体系在氧气气氛下的热重图中可以看到，单纯的动物油随着温度的升高而逐渐失重；而当动物油涂抹在铁锅表面进行测试时，其在 390~460℃ 区间失重速率显著变慢，失重曲线有明显的向上突起的现象。这说明在这一温度区间，铁锅表面发生了增重反应，减缓了动物油/铁锅体系的失重速率。而这一增重反应，就是铁氧化为 Fe3O4的过程。

图 6. （a）动物油与动物油/铁锅体系的热重图。（b）动物油分解与氧气嵌入铁晶格示意图；（c）铁原子配位行为变化图；（d）（e）多次涂油-灼烧过程中的 Fe3O4纳米球生长机理。

油脂挥发的同时，铁表面被氧化恰恰是 Fe3O4纳米球形成的关键。如图 6（b）所示，随着油脂的挥发，铁表面氧气浓度逐渐上升，氧原子逐渐嵌入铁晶格内部，将 Fe 氧化，并使晶格膨胀；而随着再次涂抹油脂，受到油脂阻隔的缘故，铁表面氧气蒸气压下降，氧原子会向铁晶格外部迁移，造成晶格收缩，而油脂逐渐的挥发又会重新造成晶格氧原子嵌入，晶格重新膨胀。如图 6（d）（e）所示，这种重复的晶格收缩-膨胀，伴随着铁原子四配位-六配位的转换，会逐渐炸裂铁锅表面，生长出大量的 Fe3O4纳米球——也就是开锅过程获得食神祝福的纳米科学真相。

五. 未来

尽管全氟骨架的不粘锅已经畅销至全世界，但由于其在生产与使用中所产生的环境、安全等问题日益显著，人们对不粘锅产生了越来越多的顾虑和质疑。然而勤劳勇敢的沙坪坝群众从不担心在夜市上吃到任何一口特氟龙碎片，毕竟有着几千年历史的中华铸铁锅早已给了他们最深刻的文化自信。

“根本就没有食神，或者说人人都是食神。”

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｜Nano Materials Science

2019 年 3 月创刊，重庆大学主办，香港城市大学吕坚院士任主编，20个国家 132 名顶尖科学家任编委，其中院士 17 位，ScienceDirect 全文开放获取，旨在搭建纳米材料科学学术交流平台，主要关注纳米结构材料和纳米功能材料的制备与加工、材料基因表征、材料性能评价及应用，以及纳米器件的设计、制备、加工、评价及应用等方面最新研究成果，刊发成果已被 50 个国家及地区和 135 种 SCIE 期刊引用报道。

｜作者简介

魏子栋：教育部长江学者特聘教授，重庆大学化学化工学院院长，“化工过程强化与反应国家地方联合工程实验室”主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人。《化学学报》《化工学报》《物理化学学报》《催化学报》《化学通报》《电化学》《储能科学与技术》《Electrochem Energy Review》《The Scientific World JOURNAL: Chemical Engineering》《Innovations in Corrosion and Materials Science》等期刊编委；国家自然科学基金委第十三、十四届化学科学部专家评审组成员，中国化学会理事、电化学专业委员会委员、催化化学专业委员会委员，中国化工学会理事，中国电子学会电子电镀专业委员会副主任委员，中国机械工程学会电镀与精饰专业委员会副主任委员，中国科学院大连化物所兼职研究员，西安交通大学兼职教授，航天061基地“特种化学电源国家重点实验室”、中国科学院大连化物所“燃料电池与氢源技术国家工程中心”、武汉理工大学“燃料电池湖北省重点实验室”、华南理工大学“燃料电池技术广东省重点实验室”和西北大学“陕北能源先进化工利用技术教育部工程研究中心”学术委员会或技术委员会委员。E-

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