先上本文关键词：冰糕，液氮，小学生，晶体学，传热学。

MYLAB分子料理的冰激凌

正值酷暑，想必冰棍和雪糕一定是不少人所爱吧。

但是有些雪糕里面有大块大块的冰渣，大块冰渣比小冰渣吸收热量多，降温速度更快，导致口腔有一种被冻伤的感觉。

“阿糕正传”说：冰糕就像一盒巧克力，你永远不知道下一口会不会带来牙齿敏感。

当然冰晶增大也会带来更为明显的粗糙感，不用说，这样口感肯定不好。

舔了这块大冰棍，今生今世不分离

实际上相比哈根达斯等，普通雪糕口感欠佳的罪魁祸首之一就是大块的冰晶。

总之，让大冰晶减少或消失就是制作优质冰糕的一大要务。

那么如何不让它们出现呢？这就到了液氮大展身手的时候了。

1890年，Agnes Marshall第一次在书中描述了用液氮辅助制作冰激凌的方法。

Marshall奶奶的大作

本文将从晶体学和传热学的角度，辅以（可能）十分生动的例子来剖析用液氮制作分子料理冰激凌的原理，并据此提出一些完全（不）可能实现的构想。

首先，固体的金属，陶瓷和冰在微观上都是由晶体和非晶体组成的。

晶体部分主要由晶粒组成，晶粒内的原子排列十分整齐。

非晶更像液态，原子排列比较散乱。

原子排布：左面的是晶体，右面的是非晶。使用3dsmax制作

我们使用的金属器件基本都是由液体凝固而成的。

金属从发红滚烫的液态冷凝成固体需要一个过程，液态金属可以理解为是一团活蹦乱跳的原子汤。

要变成固体就得让这些原子乖乖站好（虽然金属固体原子也在不断振动），这堆原子乖乖站好的方式就是形成晶粒和晶界，其中大部分原子会去形成晶粒，一颗颗晶粒就在金属凝固时生成。

修改自：10.1038/ncomms13753（DOI），期刊开源

以上概念可以理解为：一个小学生＝一个原子，一块金属＝整个学校正在做课间操的小学生。

小学生们在操场上一块一块地分班站好，一块站好队的小学生就是一个晶粒。

现实情况中，因为是在做课间操，所以小学生们肯定要左扭右扭，即晶格原子在不断振动。

因为小学生比较皮，做课间操的时候总会追逐打闹，所以分班站好的方队连接处也会出现一些小学生，这就是晶界的原子。

晶界的原子排列散乱，这些原子可以被理解为是非晶态的。正如晶体一样，晶态和非晶部分共存，老实的和不老实的小学生共存。

（晶粒）黑色小学生：不太皮；（晶界）红色小学生：十分皮

那么规则的晶粒是怎样从散乱的原子变来的呢？

晶粒的生成需要先形成一个核心，即形核过程。

然后尚为液态的金属原子一个个往核心上簇拥，使核心不断变大，即长大过程。

一个个核心不断长大，在晶界相互连结就成了最后见到的铁块块。

而形核和长大的动力就是金属从液态降低的温度。

蓝色的是晶核，绿色的是液态原子

可以想象，对于站队这一行为来说，所有小学生从教室直接飞奔去站到指定位置几乎不可能，因为他们太皮了。

更可能出现的情况是排在队首的小学生先站好，形成一个小集体，这就是形核过程。

其他同学一看，哟，再不站好就要挨骂了，还在嬉戏打闹的小学生马上去簇拥在已经站好的同学周围，形成稳定的队列，最终在操场上一块块地站好，这就是长大。

形成小集体和簇拥站队

那么让小学生们形核和长大的动力是什么呢，结合我并不光荣的前半生，答案应该是一种对纪律的向往！是一种给其他同学做带头作用的冲动！

当然不是，肯定是怕被老师邀请抄写自己名字几百遍这种。

即：让小学生站好队的动力就是对惩罚的恐惧。（这点在后文多次用到）

降温→发抖←恐惧

拉回冰激凌，如本文开头所述，我们的最终目的是让冰棍里面冰晶变小。

既然要让晶粒变小，可以先推理，相同体积的冰棍，晶粒越多，每个晶粒体积越小。

那么让晶粒变小可以从让同体积晶粒变多入手。

金属凝固的降温过程中涉及到降温速度这一概念，实验和理论都发现，在一定范围内，降温速度越大，越有利于金属形核，即形成的晶核越多，那么他们经过长大后，同体积晶粒越多，固体金属内每个晶粒越小。

那么如果降温速度特别大呢？原先液态的金属原子会被瞬间冻结，即保持其液态时候的样子，所得金属几乎全部是非晶态，就像照照片一样。

非晶态：尤塞恩的微笑

这次我们还是不能放过小学生，站队时，对老师的恐惧越大，站好队的动力越大，小学生们越容易自发地形成小集体，比如队首站好一堆，队中站好一堆，队尾也站好一堆。

然后其余小学生分别往这三堆上簇拥，这样把三部分连起来就能快速站好队，比一个个往一个小集体上簇拥快很多，这样有利于免受惩罚。

但是如果对老师的恐惧太大，老师一吆喝，小学生们可能不会先去站队，更可能是先一愣。

哦，在这停顿，他们会保持还在皮的时候的空间位置，即在操场上比较分散，没有明显的队列。

即冷速过大，非晶态为主要组成成分。

冰糕能成固体主要得益于冰晶的形成，既然金属快速冷却可以细化晶粒，制作非晶。

那么冰糕呢，其实结论也可以是这样的。

这样，我们的任务就从如何减少大晶粒出现转变成如何让冰糕飞速降温了。

附思维导图一张，帮助记忆和理解：

左右平行的色块为可以类比概念

必须明确的是，冰激凌原液不是随随便便就能降温的。

液态雪糕降温和外部环境需要有温差，才能出现传热，导致冰激凌丧失足够的热量，从而降温结晶。

这个外部环境可以被认为是冷却介质。

既然我们的任务是制造小冰晶冰棍，方法是加快冰激凌的降温速度（冰激凌和降温介质的瞬间温差）。

又由（冰激凌化的）一维傅里叶导热定律：液体冰激凌和冷却介质的温差正比于降温速度，降温速度也与冷却介质导热系数成正比。

那么就有两条路可以选择：

一是增大待结晶冰激凌和冷却介质的温差；二是增大冷却介质的导热系数。

导热系数可以理解为材料的导热速度，比如石墨导热系数比木头大，石墨解冻板也确实比普通切菜板解冻快。

那么就需要找一种方便获得的，极低温，且有不错导热系数的无毒物质。

普通的冰箱和其内的空气已经没法满足吃货们的欲望了，这时液氮粉墨登场。

壶里的是液氮

液氮在常压下沸点为-196°C，够低了吧，且具有极佳的化学惰性，不怕它在升温时燃爆，其自身也没有毒性，适合食品使用，而且方便获取成本不高。

有意思的是，由于液氮沸点极低，在作冷却介质时，它会吸收液态冰棍的热量，自身产生沸腾。

即液氮发生了相变，相变会带走巨大的热量，这是只产生温度变化的传热所不能比拟的，实际上水→水蒸气也是相变。

液氮遇上哈士奇，液氮相变吸热导致水蒸气凝结成水珠，出现白雾

虽然液氮导热系数很低，但是由于在制作液氮冰激凌的时候其大量气化成氮气，和冰糕接触界面更多的是氮气，其导热系数和空气相似，还是满足要求的。

前文已提到，小学生站好队的动力是对老师的恐惧，对老师的恐惧越大，他们站好队的动力越大，方式就是通过多形成几个小集体，让这几个小集体同时增长成一个队列。

但是普通老师终归是普通老师，只能用一些不够严厉的惩罚方法来教育小学生。

如果......换成教导主任呢，这可就是“相变”了。

教导主任的凝视

教导主任要是一喊，小学生们可能会先原地愣住，“ta怎么来了？”，并保持原先散乱的位置不动，即非晶态。

总之液氮（教导主任）十分符合给冰糕快速降温（让小学生乖乖站好）的要求。

必须一提的是，以上都是在各种简化的条件下才得以讨论。

比如忽视了冰糕里的溶质和气泡，极简了液氮和冰糕接触界面的温度梯度，没考虑加液氮时搅拌的因素，简化了有着十多种相态的水等等等等。

但是这不影响结论的提出和本文科普的目的。讨论太细作者和小学生可能都招架不住，尊老爱幼是传统美德。

来，科普看完了，下面咱开开脑洞！

实际上现在用液氮做冰激凌总会边加液氮边搅拌，这导致最后做出来的冰激凌十分均匀。

分子料理冰激凌机

对于这种空间上没什么变化的冰激凌，吃外面的时候是很好吃的，可以慢慢品尝。

但是因为冰激凌球越小比表面积越大，越往里吃化的越快，最后没办法只能急匆匆吃完，不然就全化了，这样吃不够优雅。

从进食体验来讲，如果能使冰棍外面融化快一点，里面慢一点就好了。

顺便一提，普通冰箱做出来的冰糕内部冰晶大小在微米级，需要液氮这种介质才能做到纳米级。

作者受到梯度纳米晶金属启发，提出了：液氮辅助的梯度纳米晶冰糕（ liquid nitrogen-assisted ice creams with gradient nanocrystalline）

考虑到室温对于晶态和非晶态的冰都是高于熔点的存在，那么冰糕放在常温下实际上就是一个融化的过程。

如我们之前所述，温差是相变的动力，温差越大，动力越大。

相比晶态的冰，非晶态的冰需要在极低温才能稳定存在，即其在室温时融化为水的动力更大，相变和转变也比较快。

那么我们可以尽可能多地让非晶态的冰排布在冰糕外侧，让晶态的冰处于内侧，让晶粒小的在外面，晶粒大的在内部，即让结晶程度呈现一种梯度的排布。

方法就是先使用一种模具固定冰激凌原液形状，然后只在模具外侧用液氮处理，这样外面冷却快，里面冷却慢，做出来的冰糕就有径向的梯度结构。

一个冰激凌球的剖面图，沿径向晶粒大小呈梯度排列

同时值得注意的是，边加液氮边搅拌做出的冰激凌大概就长这样，一副让人很没食欲的样子。

像面团一样的假冰激凌

想做出整装一点的冰激凌需要使用模具，综合晶体学部分讨论，使用模具是必然了。

首先，我们分析：这个模具处于液氮和冰糕中间，是一个导热介质。

上文已经讨论过，一个足够好的冷却介质至少需要有两个特点：一是导热系数可观，二是方便获取其低温态。最好在升温时有相变发生能带走大量的热。

但是考虑到液氮的制冷能力已经极佳，而且中间那层介质要是产生相变，导致体积变化产生裂缝。我们的冰激凌汤漏出来怎么办？拒绝铺张浪费！

所以如果中间那层介质能纯粹一点就好了，即只需要它疯狂导热，别的不要管。

也就是说我们对材料的要求提出来了：导热系数极大，在-196°C到室温的区间理化性质比较稳定，膨胀系数小，热振稳定性好，无毒等。

在像爱迪生为了钨一样查阅了上千种材料后（那是不可能的），我最终选择了：金刚石！

不必多看，买不起的

金刚石，又称钻石，其热导率处于块体材料的巅峰。

常温下金刚石约2000 W/(m·K)的导热率比导热性能最好的金属银高了5倍。

而且，其热导率随着温度下降而增加，在接近-196°C（液氮沸点）时其热导率已逼近惊人的100000 W/(m·K)！这就意味着我们最关注的性能已经满足了。

另外金刚石膨胀系数小，带来的热振稳定性也很好，不会因为温度骤变产生裂纹，能满足我们不漏冰激凌原液的要求。

无毒这个没问题，有毒的的话每个送钻戒给女士的男士都是白雪公主的继母了。

总之，金刚石是打造一个液氮冰糕模具的不二选择。

既然是要做冰糕的模具，那得够大才行，检索淘宝和京东可以发现一般冰激凌勺直径最小大概3cm。

所以可以计算出一个冰激凌球体积最小约为14.13cm³，那么我们的钻石模具就得比这个大才行，不然没法从内部掏空做模具。

考虑到金刚石密度为3.52g/cm³，1克拉＝0.2g，我们知道大概需要一块至少248.688克拉的钻石。

经过查阅可以发现，世界上现有7块钻石可以满足这个要求，分别为：金禧(545.67克拉)，非洲之星（530.2克拉），无双（407.48克拉），亚洲之星（330克拉），库里南II（317.4克拉），德克里斯可诺（312.24克拉），世纪（273.85克拉）。

把这七块都搞回来打磨打磨正好开一条生产线，一周进阶米其林三星不是梦。

其他办法：从55 Cancri e号“钻石星”上随便敲几公斤钻石带回来等。

总之，钻石模具的问题还是可以克服一下的。

第一步：把上述七颗钻石都买回来并制作好模具

第二步：将精心配置的冰激凌液注入其中

第三步：在模具上迅速倒液氮后等待

第四步：脱模，取样，观察，找好角度，照相，发朋友圈

第五步：写实验报告，仔细品尝，写实验报告

本文首发于头条。

好吃的冰糕千篇一律，有趣的冰糕万里挑一。希望您下次在吃冷饮的时候能想到本文科普的那些知识，如果能再加以联想，我相信您吃的雪糕就是世界上最棒的！

感谢您的阅读和对本文直男式配图的忍耐。

感谢好友张军师，今爷和我父母对文章的仔细审阅和诚恳意见！

晶体学：材料科学基础第三版（上海交大），固体物理学14年版（黄昆）

传热学：传热学第四版（杨世铭等）

冰糕相关知识和数据：Chris Clarke, The Science of Ice Cream (2004)

金刚石低温热导率：Physical Review B 80, 125203 (2009)

金属梯度纳米晶：Science 345, 1455 (2014)

祝点赞收藏转发的小伙伴，吃到的冰激凌都是料最足的，打游戏永远不会遇到小学生！

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