風乾脫水有學問，裂痕大不同！

※器材：玻璃片、玻璃培養皿、麵粉、太白粉、雞蛋

生活中常會看到土地因為曝曬，水分蒸發而龜裂的現象。但是不止是土壤，很多物質脫水後也會有龜裂的裂痕。例如圖一是太白粉加水後，成為濃稠狀，倒入玻璃培養皿中。風乾一天之後，如圖二，產生了很多格子狀的裂痕（局部放大如圖三）。如果改用麵粉，結果也是形成格子狀的裂痕，和土壤脫水後的裂痕類似。請留意實驗必須使用玻璃材質容器，用塑膠容器無法使太白粉產生格子狀裂痕，只會在容器的邊緣形成裂痕。

更有趣的裂痕是：蛋白的風乾脫水，如圖四～圖六。將蛋白（不包含蛋黃）直接倒在玻璃片上，薄薄的一層即可。經過一天，首先產生條狀裂痕（圖四），到了第三天，出現很多的螺旋狀裂痕（圖五）。由圖六的放大圖，可看出螺旋狀裂痕的直徑略大於1毫米。

除了上述的自然風乾裂痕，Nakayama等人（2013）以人為控制方式，產生了多種不同的裂痕。該研究將碳酸鈣（CaCO3）加水（質量2：1），混合後放在震盪器振動，並控制振動頻率，以產生特定的法拉第波（如圖七左），振動20秒後靜置風乾。結果乾燥三天後，產生了和法拉第波的形狀相似的同心圓裂痕（如圖七左），Nakayama等人（2013）稱之為「記憶效應（memory effects）」。由於沒有震盪器的設備，作者並沒有進行本項實驗。

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含水物質（例如土壤）風乾時，水分流失而形成裂痕，被稱為「脫水裂痕」（desiccation cracks），相關的研究應用範圍相當廣。例如油漆風乾後，如何避免產生裂痕？地質上的岩石裂痕如何產生與演化？血液的脫水裂痕分析，可用於偵察兇殺案件。而「生物物理學」（biophysics）的應用，包括分析尼羅鱷魚的頭部皮膚裂痕的碎形模式、哈密瓜果皮的裂痕，甚至於葉子葉脈的紋路是否和脫水裂痕有關？由此可見脫水裂痕的研究相當重要。

但是任何含水混合物乾燥脫水後，未必都會形成碎片式的裂痕。要形成明確的裂痕，很重要的因素是：容器底部必須與混合物的吸附力強（黏著力強）。例如太白粉、蛋白對玻璃的吸附力大，就可以形成明確的裂痕，但是用塑膠容器則無法形成碎形裂痕。原因是在風乾脫水的歷程中，如果混合物在容器的底部容易移動（吸附力小），就可以分散表面的應力變化，減少表面裂開的程度。反之；如果底部被緊緊吸附，就無法分散表面的應力變化，因此表面就容易產生裂痕。

目前科學家只能得知特定物質的裂痕形式（例如格子狀或螺旋狀），還無法準確預測裂痕的位置。Nakayama等人（2013）即指出裂痕會在哪個位置出現，是一種隨機的狀態，目前無法精確預測。另一方面，裂痕的大小和深淺有關，如果含水混合物的厚度（深度）小於某個程度，就不會產生裂痕。

另一方面，會形成螺旋狀裂痕的不只是蛋白而已，Lazarus & Pauchard（2011）以乳膠（Latex）進行實驗，也可以產生螺旋狀的裂痕。但是螺旋狀裂痕如何產生，科學家尚未完理解，Goehring等人（2015）就指出目前對於螺旋狀裂痕，還沒有令人滿意的解釋！

1.再次提醒進行太白粉、麵粉或蛋白的風乾實驗，一定要用玻璃容器，不能用塑膠容器。

2.在教學上可指導學生實驗與探究以下問題：(1)以太白粉（或麵粉）進行實驗，探究「不同深度」的含水物質風乾後，裂痕有何差異？(2)用不同材質的容器，脫水裂痕的結果有何差異？(3)已知澱粉類、膠體類容易形成脫水裂痕，則食鹽、蔗糖（紅糖或白糖）等食品，也會形成脫水裂痕嗎？

1. Goehring, L., Nakahara, A., Dutta, T., Kitsunezaki., & Tarafdar, S. (2015). Desiccation cracjs and their patterns: Formation and modelling in science and nature. Weinheim: Wiley-Vch.

2. Lazarus, V., & Pauchard, L. (2011). From craquelures to spiral crack patterns: Influence of layer thickness on the crack patterns induced by desiccation. Soft Matter, 7, 2552-2559.

3. Nakahara, Akio. Controlling the position of desiccation cracks using memory effect of paste. http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/ws/2013/pggm/Presentation/Nakahara.pdf

4. Nakayama, H., Matsuo, Y., Takeshi, O., & Nakahara, A. (2013). Position control of desiccation cracks by memory effect and Faraday waves. European Physical Journal E, 36(1), 1-13.

5. YouTube. Drying egg albumin shows interesting crack patterns. https://www.youtube.com/watch?v=F-s6WX6YOmQ