“分层拿铁”是怎么做成的？

在下图中，一小杯热浓咖啡被倒入一杯热牛奶中。起初，他们的混合物看起来相当混乱。然而，在静静地等了一会儿之后，神奇的事情发生了:整齐的玻璃层出现了。

退休工程师鲍勃·凡克豪斯(Bob Fankhauser)在家里意外地自制了这种层次分明的咖啡。他很好奇:这些层是怎么形成的？

要使两种液体互溶并具有相同的密度以产生美丽的分层效果并不容易。然而，真正不寻常的是，“分层拿铁”的制造步骤只需要简单地倒入。

从混乱到整齐分层的过程

带着这个问题，老工程师把他的咖啡照片发给了霍华德·斯通，一位从事流体研究的工程师。后者对此也很感兴趣，所以他带领学生做实验，然后写了一篇论文，然后发表在《自然通讯》杂志上

那么到底是什么原因呢？事实上，这是一种叫做双扩散对流的现象。简单地说，拿铁咖啡的分层是由两个不同的密度因素决定的:第一，牛奶和咖啡之间的密度差异；第二，热液体冷却引起的密度变化。

让我们详细讨论一下。首先，热牛奶和热浓缩咖啡密度不同:牛奶密度更大。因此，当咖啡以一定的速度倒入牛奶中时，密度会有梯度变化:底部会有一些没有接触到咖啡的牛奶，中间会有一系列混合牛奶咖啡，最高的咖啡含量会浮在顶部。

起初，在这一堆密度逐渐变化的液体中没有明显的分层，但是在室温下它们逐渐冷却的过程中发生了分层。这是因为影响密度的第二个因素:温度开始发挥作用。液体在杯壁附近冷却最快。冷却会稍微增加液体的密度，并且会下沉。

如果整杯液体是均匀的，水槽应该沉到杯底，但这拿铁不是这样:因为之前咖啡和牛奶没有完全混合，它的密度从上到下逐渐增加。因此，当冷却的外部液体在短时间内下沉时，它将被下面密度较大的部分阻挡，不再下沉，而是沿水平方向流动。结果，分层对流在这种缓慢冷却的拿铁中发生(见下图)。对流使各层中的液体混合，而各层不会混合在一起，所以我们可以看到相对清晰的分层。

液体的密度梯度和它们产生的分层对流(在右边)实际上不是咖啡奶，而是模拟实验中密度较高的水和盐水。

这些对流过程中产生的分层非常稳定，可以持续至少几十分钟。如果咖啡仍然是热的，即使轻轻搅拌，分层仍然可以恢复。然而，一旦冷却到室温，由温度变化引起的对流将不再存在，这些分层也不会恢复。

这是一个任何人都可以尝试的实验:只要你有热咖啡和热牛奶。具体的分层效果取决于你使用的杯子、倒咖啡的速度、温度、咖啡和牛奶的比例等。，但最初的论文没有给出简单的倒咖啡过程。这种分层拿铁在味道上没有太多优势(如果你不想只喝牛奶，你必须把它们混合在一起)，但它在视觉上很有趣。