洋蔥倒入中華鑄鐵鍋中，與熱油接觸發(fā)出聲音。這是周星馳在電影《食神》中烹制“黯然銷魂飯”之后的一句經(jīng)典臺(tái)詞（圖1）。一層一層的洋蔥被剝開之后，經(jīng)過鑄鐵鍋與熱油共同的作用，產(chǎn)生并釋放硫代丙醛-S-氧化物催淚因子[1]，給叉燒飯注入靈魂，讓評(píng)委黯然銷魂。經(jīng)過數(shù)千年的發(fā)展，中餐早已傲然屹立于世界美食之巔。大廚的四大核心操作“煎、炒、烹、炸”都依賴于其手中的中華鑄鐵鍋。盡管基于特氟龍的不粘鍋已經(jīng)誕生多年，但特氟龍脆弱的涂層難以承受高強(qiáng)度顛勺帶來的沖擊，而其既疏水又疏油的表面讓一切寬油變得無所適從?！澳阌肋h(yuǎn)不可能用不粘鍋?zhàn)龀鰜硪环萃昝赖某捶邸保谥貞c某夜市販賣地溝油炒粉十余年的攤主高晨曦總念叨這句至理名言，“因?yàn)槟悴粫缘貌徽冲佂繉永镱^到底有啥子?xùn)|西”。一口優(yōu)秀的中華鑄鐵鍋不會(huì)粘鍋，不會(huì)生銹，可以經(jīng)受大勺的刮削與刷子的用力清洗，多年使用之后仍然歷久彌新。因此每一位夜市攤位老板都將手中的中華鑄鐵鍋視若珍寶。民間流傳著一套的充滿宗教意味的“開鍋”儀式，這或許是解開謎團(tuán)的關(guān)鍵。一口新鍋需要通過開鍋過程來獲取食神的祝福，從而賦予鑄鐵鍋神奇的表面特性。開鍋過程并不復(fù)雜，清洗干凈鐵鍋之后，在其表面涂抹動(dòng)物油脂，并放置于灶頭進(jìn)行加熱；冷卻之后再涂抹油脂、加熱，如是幾次即為“開鍋大典”，如圖2（a）所示。成功開鍋的鐵鍋表面與特氟龍不粘鍋表面相似，均具有疏水的特性，從而實(shí)現(xiàn)了“不粘”的效果（圖2（b））；但與疏油的特氟龍不粘鍋不同的是，中華鑄鐵鍋表面可以被油脂所潤(rùn)濕（圖2（c））。油是炒菜過程中食材與熱源進(jìn)行熱交換的反應(yīng)介質(zhì)，鍋體必須能夠被油脂充分浸潤(rùn)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)食材均勻的加熱。開鍋之后的鑄鐵鍋“親油疏水”，比特氟龍不粘鍋“疏油疏水”不知道高到哪里去了，這也是江湖中傳言“不粘鍋不如大鐵鍋?zhàn)霾撕贸浴钡膴W妙所在。
圖2. （a）中華鑄鐵鍋開鍋過程。通過反復(fù)幾次的“涂抹動(dòng)物油-灼燒”過程，鐵鍋將被賦予親油疏水的特性，相比“疏油疏水”的不粘鍋，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)食材的均勻加熱；（b）經(jīng)過450℃開鍋處理的鐵鍋與水的接觸角增至117.6°，實(shí)現(xiàn)疏水效果；（c）不同溫度的開鍋都能夠保證鐵鍋表面優(yōu)秀的親油性。是什么賦予了生鐵鑄造的大鐵鍋如此神奇的性能，通過實(shí)地走訪火鍋之都重慶眾多地溝油餐館，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬開鍋，居住在重慶市沙坪壩區(qū)的科學(xué)家魏子棟教授、李存璞副教授等從納米科學(xué)角度揭示了“開鍋”過程中所謂的“食神祝?！钡奈⒂^真相，于近期發(fā)表于國(guó)產(chǎn)英文刊Nano Materials Science[2]。詳見https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965120300416。一切宏觀行為都由其微觀結(jié)構(gòu)決定。作者分別在不同溫度下（375℃、450℃、525℃、600℃）模擬了鐵鍋表面的開鍋過程，跟蹤了其表面變化。如圖3（a）所示，在375℃、450℃開鍋之后，鐵鍋碎片表面呈現(xiàn)黑色，并隨著“涂油-灼燒”次數(shù)的增加，表面顏色變得更加黑亮。與之相對(duì)的是，提高開鍋溫度至525℃之后，鐵鍋表面會(huì)迅速銹蝕。通過掃描電子顯微鏡SEM可以進(jìn)一步觀察鐵鍋表面的形貌變化。如圖3（b）-（e）所示，新鍋表面光滑，而在450℃開鍋之后，其表面逐漸產(chǎn)生大量直徑約在100 nm的納米球，通過XRD可以鑒定出這些納米球的主要成分為Fe3O4。這就解釋了為何開鍋之后鐵鍋表面變得耐腐蝕——因?yàn)槠湓陂_鍋過程中已經(jīng)被氧化為了穩(wěn)定的Fe3O4納米球，這些Fe3O4可以保護(hù)內(nèi)部的Fe不被氧化。
圖3. （a）不同溫度進(jìn)行開鍋之后的鐵鍋碎片照片。（b）-（e）新鍋與不同溫度下開鍋之后，鐵鍋碎片的SEM圖，其中450℃開鍋之后鐵表面出現(xiàn)了100 nm左右的納米球，375℃和525℃則分別呈現(xiàn)褶皺狀與肥腸狀的形貌；（f）新鍋與不同溫度開鍋之后的鐵鍋碎片的XRD譜圖。這些Fe3O4納米球更是鐵鍋不粘食材、并讓食材鮮嫩多汁的關(guān)鍵。如圖4（a）所示，物體表面精細(xì)結(jié)構(gòu)可以使其在宏觀上具有（超）疏水特性，然而傳統(tǒng)的Wenzel[3]與Cassie-Baxter模型[4]都難以解釋球面精細(xì)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理。因此，作者進(jìn)一步通過解析與數(shù)值方法分析了Fe3O4納米球?qū)﹁F鍋表面接觸角的貢獻(xiàn)。如圖4（d）所示，當(dāng)鐵鍋表面水量較大的時(shí)候，水會(huì)潤(rùn)濕納米球并滑落至相鄰Fe3O4納米球，此時(shí)為銳角接觸角——親水表面；而當(dāng)水量減少，水滴會(huì)逐漸爬升至Fe3O4納米球之上，轉(zhuǎn)變?yōu)殁g角接觸角——疏水表面。這一特性被命名為“條件疏水性”，而條件疏水性對(duì)烹飪至關(guān)重要：如圖4（b）和4（c）所示，當(dāng)食材剛剛放入油鍋，其含水量較大的時(shí)候，會(huì)潤(rùn)濕鐵鍋表面，從而實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞，將食材表面迅速變熟；而當(dāng)食材水分逐漸流失，其在鐵鍋表面的潤(rùn)濕程度也隨之下降，傳熱速率變慢，從而保證了食材能夠不粘鍋且鮮嫩多汁。這也是只有開到極致的鐵鍋才能烹制地溝油炒粉的原因：河粉含水量大，熱容小，表面不夠先進(jìn)的鐵鍋很容易將河粉燒糊導(dǎo)致粘鍋。
圖4. （a）Wenzel模型、Cassie-Baxter模型可以解釋表面具有圓柱的材料疏水特性，但難以解釋開鍋之后鐵鍋具有的“條件疏水性”。（b）-（d）鐵鍋表面的Fe3O4納米球賦予鐵鍋“條件疏水性”，并保證了食材烹制后的鮮嫩多汁。那么在開鍋過程中，鐵鍋表面到底經(jīng)歷了什么才使得其表面生長(zhǎng)出茂盛的Fe3O4納米球呢？作者探究了Fe3O4納米球的生長(zhǎng)機(jī)理。如圖5（a）所示，動(dòng)物油與動(dòng)物油/鐵鍋體系在氧氣氣氛下的熱重圖中可以看到，單純的動(dòng)物油隨著溫度的升高而逐漸失重；而當(dāng)動(dòng)物油涂抹在鐵鍋表面進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其在390~460℃區(qū)間失重速率顯著變慢，失重曲線有明顯的向上突起的現(xiàn)象。這說明在這一溫度區(qū)間，鐵鍋表面發(fā)生了增重反應(yīng)，減緩了動(dòng)物油/鐵鍋體系的失重速率。而這一增重反應(yīng)，就是鐵氧化為Fe3O4的過程。圖5. （a）動(dòng)物油與動(dòng)物油/鐵鍋體系的熱重圖。（b）動(dòng)物油分解與氧氣嵌入鐵晶格示意圖；（c）鐵原子配位行為變化圖；（d）、（e）多次涂油-灼燒過程中的Fe3O4納米球生長(zhǎng)機(jī)理。油脂揮發(fā)的同時(shí)，鐵表面被氧化恰恰是Fe3O4納米球形成的關(guān)鍵。如圖5（b）所示，隨著油脂的揮發(fā)，鐵表面氧氣濃度逐漸上升，氧原子逐漸嵌入鐵晶格內(nèi)部，將Fe氧化，并使晶格膨脹；而隨著再次涂抹油脂，受到油脂阻隔的緣故，鐵表面氧氣蒸氣壓下降，氧原子會(huì)向鐵晶格外部遷移，造成晶格收縮，而油脂逐漸的揮發(fā)又會(huì)重新造成晶格氧原子嵌入，晶格重新膨脹。如圖5（d）、（e）所示，這種重復(fù)的晶格收縮-膨脹，伴隨著鐵原子四配位-六配位的轉(zhuǎn)換，會(huì)逐漸炸裂鐵鍋表面，生長(zhǎng)出大量的Fe3O4納米球——也就是開鍋過程獲得食神祝福的納米科學(xué)真相。盡管全氟骨架的不粘鍋已經(jīng)暢銷至全世界，但由于其在生產(chǎn)與使用中所產(chǎn)生的環(huán)境、安全等問題日益顯著，人們對(duì)不粘鍋產(chǎn)生了越來越多的顧慮和質(zhì)疑。然而勤勞勇敢的沙坪壩群眾從不擔(dān)心在夜市上吃到任何一口特氟龍碎片，畢竟有著幾千年歷史的中華鑄鐵鍋早已給了他們最深刻的文化自信。“根本就沒有食神，或者說人人都是食神?！?/span>Nano Materials Science：2019年3月創(chuàng)刊，重慶大學(xué)主辦，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士任主編，20個(gè)國(guó)家132名頂尖科學(xué)家任編委，其中院士17位，ScienceDirect全文開放獲取，旨在搭建納米材料科學(xué)學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，主要關(guān)注納米結(jié)構(gòu)材料和納米功能材料的制備與加工、材料基因表征、材料性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用，以及納米器件的設(shè)計(jì)、制備、加工、評(píng)價(jià)及應(yīng)用等方面最新研究成果，刊發(fā)成果已被50個(gè)國(guó)家及地區(qū)和135種SCIE期刊引用報(bào)道。
魏子棟：教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院院長(zhǎng)，“化工過程強(qiáng)化與反應(yīng)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室”主任，重慶市“新能源化工”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人。《化學(xué)學(xué)報(bào)》《化工學(xué)報(bào)》《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》《催化學(xué)報(bào)》《化學(xué)通報(bào)》《電化學(xué)》《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》《Electrochem Energy Review》《The Scientific World JOURNAL: Chemical Engineering》《Innovations in Corrosion and Materials Science》等期刊編委；國(guó)家自然科學(xué)基金委第十三、十四屆化學(xué)科學(xué)部專家評(píng)審組成員，中國(guó)化學(xué)會(huì)理事、電化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、催化化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)理事，中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子電鍍專業(yè)委員會(huì)副主任委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)電鍍與精飾專業(yè)委員會(huì)副主任委員，中國(guó)科學(xué)院大連化物所兼職研究員，西安交通大學(xué)兼職教授，航天061基地“特種化學(xué)電源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、中國(guó)科學(xué)院大連化物所“燃料電池與氫源技術(shù)國(guó)家工程中心”、武漢理工大學(xué)“燃料電池湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、華南理工大學(xué)“燃料電池技術(shù)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和西北大學(xué)“陜北能源先進(jìn)化工利用技術(shù)教育部工程研究中心”學(xué)術(shù)委員會(huì)或技術(shù)委員會(huì)委員。E-mail：zdwei@cqu.edu.cn
李存璞：河南開封人，1986年出生，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。在清華大學(xué)化學(xué)系與核能與新能源技術(shù)研究院分別取得學(xué)士及博士學(xué)位。博士畢業(yè)后就職于重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，主要從事低成本、高性能陰離子交換膜的設(shè)計(jì)與合成、鋰硫電池高效隔膜、金屬-空氣電池催化層的研究。以第一作者和通信作者發(fā)表SCI論文10余篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金與國(guó)防項(xiàng)目等多項(xiàng)。E-mail：lcp@cqu.edu.cn[1] Fritsch RM, Keusgen M. Occurrence and taxonomic significance of cysteine sulphoxides in the genus Allium L.(Alliaceae). Phytochemistry, 2006, 67(11): 1127-1135.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0031942206001518[2] Gao CX, Yang N, Li CP, et al. Seasoning Chinese cooking pans: The nanoscience behind the Kitchen God's blessing, Nano Materials Science, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.06.001[3] Ishino C, Okumura K. Wetting transitions on textured hydrophilic surfaces. The European Physical Journal E, 2008, 25(4): 415-424.https://link.springer.com/content/pdf/10.1140/epje/i2007-10308-y.[4] Marmur A. Wetting on hydrophobic rough surfaces: to be heterogeneous or not to be?. Langmuir, 2003, 19(20): 8343-8348.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la0344682
