核心概念
化學
凝膠
分子
溶液
引言
你是否曾想過凝膠是如何製成的？你家周圍可能有很多種使用了凝膠的產品——有些是你吃的——比如布丁、尿布、鞋墊、包裝、冰淇淋、牙膏等等。
凝膠是懸浮在液體中的固體顆粒的混合物。凝膠中的固體顆粒可以吸收水分，導致凝膠膨脹並體積增大。如果你曾經把尿布浸在水桶裡，你就會看到這種情況；尿布會因吸收水分而膨脹，如果你把尿布剪開，你會看到吸收水分的凝膠塊。凝膠的這些特性使其在各種用途中非常有用。你能想到凝膠可以幫助做什麼嗎？
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背景
凝膠非常常見，因為它們用途廣泛——不僅在家庭中，而且在科學中也是如此。在家裡，你可能還會發現凝膠存在於：護膝、果凍、腳踏車座、斯登諾燃料、空氣清新劑、頭髮產品、冷敷袋、玩具和醫藥凝膠膠囊中。在醫學領域，生物凝膠——含有藥物的凝膠——正在被研究，它們可以用於身體修復或輸送藥物。凝膠，特別是氣凝膠，已被用於太空探測器收集星塵並將其送回地球進行研究。甚至還設計了用於清理放射性汙染的凝膠。
可以使用玉米澱粉和水製作簡單的凝膠，改變比例會改變其特性。玉米澱粉，顧名思義，是從玉米中提取的澱粉。澱粉是一種常見的碳水化合物，由許多鍵合的葡萄糖（一種糖）分子組成。它由大多數植物製造，用作能源。當加入水並加熱時，葡萄糖分子之間的一些鍵會斷裂，澱粉會發生“糊化”，這意味著，你就擁有了自己的自制凝膠！
材料
• 玉米澱粉
• 水
• 量勺和量杯
• 兩個攪拌棒或叉子
• 兩個微波爐安全碗
• 微波爐
• 烤箱手套或小毛巾
• 蠟紙
• 平坦堅硬的表面（如廚房檯面）
• 廢紙和筆（可選）
• 座標紙（可選）
準備工作
• 在一個碗中加入三分之一杯和三茶匙（或一湯匙）水。在同一個碗中加入一茶匙玉米澱粉。這個碗現在包含 5% 的玉米澱粉。
• 在第二個碗中加入三分之一杯水。在同一個碗中加入四茶匙（或一湯匙和一茶匙）玉米澱粉。這個碗包含 20% 的玉米澱粉。
• 每個碗的總容量應相同。記錄哪個碗是哪個。你可能想用一張廢紙和筆製作小標籤。
• 微波加熱凝膠時要格外小心。當你加熱凝膠時，它可能會過熱並導致燒傷。
步驟
• 徹底攪拌每個碗（每個碗使用不同的攪拌棒）。5% 和 20% 的玉米澱粉溶液看起來和感覺有什麼不同或相似之處？
• 在微波爐中用高火單獨加熱每個碗，總共加熱一分 30 秒。具體方法是，先將每個碗加熱 30 秒，然後停止微波爐並攪拌碗，接著再加熱 30 秒，再次攪拌，然後最後加熱 30 秒。攪拌和處理碗時要小心，因為凝膠可能會過熱。
• 使用烤箱手套或小毛巾小心地從微波爐中取出每個熱碗。取出後攪拌每個碗的內容物。每個碗中的玉米澱粉溶液發生了什麼變化？當你攪拌時，每個溶液的外觀和感覺如何？
• 讓溶液冷卻至室溫，然後再觸控它們，因為它們會非常熱。它們可能需要五到十分鐘才能冷卻。當它們冷卻時，你注意到任何其他變化嗎？
• 當溶液冷卻至室溫時，用手指觸控它們。與 20% 的溶液相比，5% 的溶液感覺如何？
• 在平坦堅硬的表面上鋪一塊蠟紙，小心地將凝膠溶液一次一個地放在蠟紙上，讓每個凝膠散開。如果你想量化每個凝膠散開的程度，可以在將凝膠溶液放在蠟紙上之前，在蠟紙上鋪一塊座標紙。
• 讓凝膠靜置約五分鐘。與 20% 的溶液相比，5% 的溶液散開了多少？這兩個溶液還有哪些相似或不同之處？
• 如果你使用了座標紙，你可以在凝膠停止散開後沿著它們畫線，並計算出線條內有多少個方格。哪個溶液覆蓋了更多的方格？它多覆蓋了多少個方格？
• 額外嘗試：澱粉可以來自許多不同的來源，如玉米、土豆、大米和木薯。在本活動中，你使用了玉米澱粉，但你可以嘗試使用其他種類的澱粉進行此活動。使用不同的澱粉是否能得到相似的凝膠？
• 額外嘗試：凝膠可以用許多不同的材料製成，如明膠、瓊脂、尿布填充物、木薯、海藻或果膠。你可以嘗試用這些不同的材料製作凝膠。用不同材料製成的凝膠有什麼不同？它們有什麼相似之處？ 觀察和結果
在微波加熱之前，20% 的玉米澱粉溶液是否比 5% 的溶液不透明、更白、更難攪拌？微波加熱後，兩種溶液都變得透明瞭嗎？20% 的溶液是否比 5% 的溶液濃稠得多？冷卻後，20% 的溶液是否比 5% 的溶液散開得少得多？
玉米澱粉由許多葡萄糖分子組成，特別是支鏈澱粉和直鏈澱粉。當澱粉與水一起加熱時，澱粉顆粒會膨脹並破裂，導致它們分解並將葡萄糖分子釋放到水中。因此，澱粉分子與更多的水相互作用，增加了溶液的隨機性。這個過程被稱為糊化。當加熱的玉米澱粉和水溶液冷卻後，直鏈澱粉分子可以再次相互結合，形成分子網。直鏈澱粉分子越多，網就越堅固或更粘稠。加熱後，與 5% 的玉米澱粉溶液相比，具有更多澱粉的溶液（如 20% 的玉米澱粉溶液）會更堅固和粘稠。由於它的粘度更大，20% 的溶液冷卻後散開的程度將遠小於 5% 的溶液。使用不同的澱粉可以製作出不同的凝膠，因為澱粉的稠度會隨著組成它們的直鏈澱粉和支鏈澱粉的比例而變化。
你可以用你的凝膠做什麼？
玉米澱粉和水在室溫下混合時也會獲得有趣的特性。嘗試“它是一種固體……它是一種液體……它是奧勃力克！”活動，用這些簡單的成分獲得更多的科學樂趣。
清理
含有玉米澱粉的溶液可能非常粘稠且髒亂。20% 的玉米澱粉凝膠應堆肥或扔進垃圾桶。5% 的溶液可以扔掉，也可以用水稀釋後衝入下水道。
更多探索
“滴落粘液的頁面”，來自《你可以在廚房裡做的奇異東西》
倫敦南岸大學的馬丁·卓別林撰寫的“水的結構和科學”
來自 HowStuffWorks, Inc. 的“培樂多塑形化合物的工作原理：澱粉化學”
來自科學夥伴的“你凝膠了嗎？”
來自大眾科學的“它是一種固體……它是一種液體……它是奧勃力克！” 本活動由科學夥伴合作推出
編者注（2022 年 10 月 24 日）：這篇文章在釋出後進行了編輯，以更正關於直鏈澱粉的描述。