离⼼机发明⼩史:奶油和钱学森之间有什么关系?

作者: 赵杭

来源: iSynBio造物

发布日期: 2022-09-24 07:00:35

本文讲述了离⼼机的发明历史,从最初的奶油分离器到现代实验室的精密设备,以及离⼼机在科学研究中的重要应用。文章还提到了离⼼机发明者普朗特家族与钱学森之间的奇妙联系。

离⼼机的出现

说到离⼼机还得从⽜奶说起。⽜奶⾥有丰富的脂肪,脂肪以⼩液滴的形式分散在⽜奶之中形成的乳浊液。将⽜奶静置,其中的脂肪上浮就是奶油。对于⽜奶加⼯⼚⽽⾔,时间就是⾦钱,⽜奶⻓期静置分层⼀来浪费时间,⼆来很容易变质。⽜奶⼚需要⼀种能快速分离出奶油的设备。

伟⼤的⽜顿⼒学告诉我们,只要你把⽜奶放进⼀个⼤桶,把桶快速旋转起来,密度⼤的“脱脂⽜奶”会被快速甩到四周贴紧筒壁,密度⼩的奶油会留在桶中⼼,这时候只需在桶中间捅个窟窿,哗啦啦流出来的就是奶油啦。这么简单的事情你能想到,早在1864年,22岁的德国⻘年⼩安东宁·普朗特(Antonin Prandtl jnr. ,1795-1892)也想到

了,但是因为正在上学并且没钱实践,这个想法⼀直没办法实验。好在他的⼆哥亚历⼭⼤·普朗特(Alexander Prandtl)

⼩有家资,根据⼩安东宁的构想,⼏经实验真的把奶油分离器做了出来还有了重⼤改进。1875年,亚历⼭⼤带着⾃⼰的⽜奶分离器参加了德国法兰克福的世界博览会。现场⼈头攒动观者如堵,但没有⼈意识到

⾃⼰正在⻅证历史。毕竟这是世界上第⼀台离⼼机啊!(严格来说这⾥是世界上第⼀台离⼼“机”⽽不是离⼼的应⽤,据说古⼈会把摘下的蜂巢放在陶罐⾥,⽤绳⼦⼀端系住陶罐,⼿抓绳⼦另⼀端,旋转甩动陶罐把蜜快速取出来)。

离⼼机进⼊⽣物实验室

即使是⼀堆混杂在⼀起的混合物,只要放进离⼼机这么⼀转,⼤的⼩的轻的重的就能分散开,这种分离出不同组份的特性⾃然也吸引了世界上最聪明的那群⼈——科学家的眼光。

瑞⼠医⽣和⽣物学家弗雷德⾥希·⽶歇尔(Friedrich Miescher)最早使⽤离⼼机系统⽤于⽣物学研究。他在1869年从⽩细胞的细胞核中分离出⼀种富含磷酸盐的沉淀,他挠了挠头,随意地起了个名字叫“核素”。后来我们知道,所谓的“核素”其实是DNA (准确来说还裹挟了很多核蛋⽩)。

这个最早使⽤离⼼机的⽣物学家也成为第⼀个提取DNA的⼈。所以说啊,⽤离⼼机提DNA那就是⽣物狗的宿命,你说是吧?

没⽇没夜提质粒的你。以前⽣物学家研究细胞,最多也就是显微镜看,染个⾊,⾯对细胞⾥⾯的花花世界“只能看,摸不着”。但是“破碎细胞+离⼼机分离”的⽅法可以从细胞中分离出来各种各样的组分,极⼤的促进了⽣物学的发展。只不过那时候的离⼼机嘛,⻓得也⽐较⽼古董,⽽且靠的是⼈⼒转动!不过别⼩瞧这群⽣物学家的麒麟臂,⼿摇离⼼机最⾼转速度竟然⾼达3000 rpm(也就是⼀秒就能转50圈!)。

随着科技进步,实验室的离⼼机⻦枪换炮:1912年,随着第⼆次⼯业⾰命推进电⽓化,出现了电动机驱动的离⼼机。1925年,瑞典化学家⻄奥多·斯⽂伯格(Theodor Svenberg)发明了第⼀台超速离⼼机,相对离⼼⼒可达到900,000 g。1940年,SPINCO(后来被Beckman收购)⽣产了第⼀台商⽤超速离⼼机。

1962年,Eppendorf公司开发了世界上第⼀台⽤于实验室的微型离⼼机(3200型)并⽴刻受到各个实验室追捧。只不过那时候的离⼼机就像你家的电⻛扇,使⽤的是带刻度盘的机械计时开关来控制离⼼时间,计时并不精确。1976年,德国的Hettich公司发明了第⼀台微处理器控制的离⼼机ROTO MAGNA K4S,实现了离⼼时间的精准控制。这项技术远远领先于时代,并将在接下来的⼏⼗年中成为离⼼机的标配。

这时候的微量离⼼机已经和现在实验室的离⼼机很接近了。

仍旧有价值的“⼟法”离⼼机

随着科学技术的发展,现代社会的离⼼机越来越⾼速、先进、智能,科技感拉满。然⽽在偏远落后地区,仍有很多要⽤却⽤不了离⼼机的窘迫和尴尬。例如⾮洲⼀些地区疟疾横⾏,对⾎液离⼼分层和疟原⾍检测⼗分必要,但如果你对当地医院建议“只要三千九百⼋,离⼼设备带回家,插上电源就能⽤,患者治好笑哈哈”,当地⼈可能会问你两个问题:“第⼀,饭都没得吃,哪⼉来的钱?第⼆,什么是电啊?”

虽然也有⼈⽤打蛋器或者沙拉搅拌机能达到每分钟⼏百转想⽤来代替离⼼机,但是距离真正的“接地⽓”还是有点差距。2017年1⽉10号,Nature Biomedical Engineering介绍了⼀种超级简单的⼈⼒纸离⼼机“paperfuge”。

这玩意其实就是⼩时候⼤家都玩过的“转扣⼦”,⼀根线对折从纸圆盘中间两个孔穿过,装了⾎液的⽑细吸管附着在纸盘上,双⼿⼀“扽”,噌噌噌就达到125,000 r.p.m的速度(等效离⼼⼒为30,000 g)。90秒能把⾎液分层,15分钟分离出疟原⾍。

尾声

说回离⼼机的发明⼈普朗特兄弟吧,也许是因为⿎捣流动的⽜奶有了家学渊源,安东尼·普朗特后来⽣了个孙⼦叫路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl)专⻔在哥廷根⼤学研究空⽓的流体⼒学。

路德维希带博⼠收的关⻔弟⼦叫陆⼠嘉,回到中国创⽴了北京航空航天⼤学;路德维希收了另⼀个博⼠叫⻄奥多·冯·卡⻔(Theodore von Kármán),冯·卡⻔⼜收了⼏个“⼩有名⽓”的博⼠:钱学森,郭永怀,胡宁,林家翘……等下⼀次吃着奶油冰激凌的时候,你是否会想到,奶油、钱学森、离⼼机,他们之间竟然还有这种奇妙渊源。

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