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酷炫动图(二十四):奔跑吧,小液滴!

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漫科普 发表于  2016-01-04 15:00

2009年的一天,当时还是本科生的内特·齐拉(Nate Cira)正忙着自己手上的实验。无意间,他将一些食品色素溶液滴在了经过灭菌的玻璃片上,结果,意想不到的事情发生了:这些彩色的小液滴仿佛突然活了起来,它们在玻璃片上慢慢地聚拢到一起,甚至还彼此追逐了起来。

小液滴的舞蹈迅速吸引了齐拉的注意,随着深入研究,他发现了更多有趣的现象。在划定的轨道上,这些小液滴能够自动排成一行:

能够彼此追着转圈圈:

它们甚至还能从众多液滴中准确地找到自己的“同类”融入其中:

这些小液滴身上到底发生了什么?在数年的研究之后,齐拉和他的伙伴们终于公布了小液滴背后的秘密。2015年3月,这一发现刊登在了《自然》(Nature)期刊上[1]

小液滴的舞蹈是从食品色素中发现的,不过,它们的“舞步”其实和颜色没有关系。本质上说,这些液滴其实是由水和丙二醇两种成分组成的溶液,在上面的动图中,不同的颜色表示的其实是不同的丙二醇浓度。而让液滴们动起来的关键,则在于不平均的蒸发与表面张力。

“脚底抹油”的小液滴

首先,这些会跳舞的小液滴在外形上就很特别。研究者发现,在洁净玻璃片这样的高能表面上,小液滴会形成一个特别的形状。它们既不会完全聚拢形成圆圆的水滴,也不会完全铺展摊平成一片,而是形成了一个“草帽形”的样子:上面依然可以看到水滴的模样,而贴着玻璃片的地方则铺展开了一层薄薄的液膜。

就是这个样子

有了这层薄膜,小液滴就像是“脚底抹油”了一般。在液体膜的作用下,液滴移动时受到的摩擦力变得极小,很容易就可以动起来。根据研究,不足百万分之一牛顿的力就可以驱使小液滴运动了。

为什么液滴会形成这个特别的模样?详细解释起来会比较复杂,简单来说,这就是表面张力与蒸发造成的微妙平衡。在高表面能的玻璃片上,丙二醇溶液的液滴会受到一个比较大的“界面铺展力”作用,这个力会拉着液滴向外摊平,而同时,液体自身的表面张力又会产生回缩的趋势,这互相抗衡的两方面因素共同决定了液滴的形状。

而在液滴边缘的地方液体比较薄,表面积相对较大,因此在这里,蒸发对溶液成分的影响会更加明显。液滴中的水比丙二醇更容易蒸发,它产生的表面张力也比丙二醇大。在蒸发的过程中,液滴边缘的部分就会变得比中间的部分含水量更少,这里的表面张力也变得更小。表面张力的不平均会拽着液滴发生变化,结果,草帽状的液膜就形成了。

“草帽形”液滴的形成原理

其实在生活中,酒杯上的“挂杯”也可以看成类似的现象,只不过在这里表面张力的变化是反过来的:液膜中表面张力较小的酒精更容易蒸发,所以剩下的部分表面张力变大了,这使得液体膜收缩,变成了泪珠一般的挂杯。(更多阅读:“挂杯”究竟是什么意思?

蒸发梯度,让小液滴走到一起

蒸发和表面张力造就了小液滴独特的外形,而将小液滴们拉到一起的,其实也是这两个因素。草帽形的小液滴看起来很安静,但其实内心很“躁动”,在中间和边缘部分表面张力差异的作用下,它的内部就会发生流动,就像下面这样:

一个单独的小液滴整体受力是均衡的,它不会整个动起来。但当两个液滴相处不远时,情况就不一样了。每一个液滴的身旁都围绕着蒸发出来的水蒸气,越靠近液滴,湿度也就越高,而在两个液滴中间的地方,蒸发的叠加使局部湿度变得更大,而较大的湿度又会反过来抑制水分的蒸发。

在两个小液滴彼此靠近的一边,水分蒸发会受到抑制。

蒸发减慢,也就意味着中间部分的液膜表面张力没有外面部分下降得那么多,这样一来,小液滴两边的受力平衡也就被打破了。在表面张力的拉拢之下,“脚底抹油”的小液滴也就滑到了一起。

接下来会发生的事情和小液滴中的组分浓度有关。两个组成接近的液滴很容易融合到一起:

而浓度差异较大的时候,小液滴却会产生“一个追,一个跑”的景象:

这种现象也与表面张力有关。两个浓度差别较大的小液滴相遇时,在它们接触的地方会首先发生小范围的成分交换,并在中间形成一个成分与张力均介于两液滴之间的区域。表面张力较低区域的液体向表面张力较高区域流动,结果,含水量小(张力小)的液滴倾向于靠近接触区,而含水量大(张力大)的液滴倾向于“逃离”接触区,就造成了“你追我赶”的景象。

开头处“小液滴找同类”的现象其实也是一样。玻璃片是倾斜放置的,上面彩虹色的液体从红到蓝丙二醇浓度依次降低。后来滴到玻璃片上的小液滴在重力作用下向下滑落,在遇到自己的“同类”之前,小液滴会首先碰到比自己表面张力低的液体,并在表面张力梯度的作用下回缩弹开。最终,遇到与自己浓度相同的液体,并迅速地融合到其中。

小液滴“找同类”的原理。

这有什么用?

每当看到有趣、不明觉厉的研究结果,人们总会问出这个直击心灵的问题:好看是好看,但研究它有什么用?

当然,满足好奇心足以成为一个名正言顺的答案,不过通过这一发现,我们也找到了控制少量液体在表面上运动的新方法。通过一番设计,它或许就能应用到很多生活场景中。

研究者们也用这些液滴设计了不少有趣的小装置。例如在下图中,通过上方璃片上一圈小液滴的“引导”,就可以在不接触的情况下将下方的红色液滴自由移动位置了。

无论如何,跳舞的小液滴确实展现了表面张力相当惊艳的一面。在将来,这个小实验或许还会让更多人爱上科学呢。(编辑:窗敲雨)

文中图片及动图素材均来自原论文,示意图利用论文图片重制。

参考资料:

  1. N. J. Cira,  A. Benusiglio & M. Prakash. Vapour-mediated sensing and motility in two-component droplets. Nature 519, 446–450 (26 March 2015) doi:10.1038/nature14272

拓展阅读

酷炫动图(二十三):医学篇

热门评论

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全部评论(38)
  • 1楼
    2016-01-04 15:16 天降龙虾

    看到不停转圈的两滴小液滴,俺想起,自己一直觉得只有用化学反应才能解决机械运算中的停机问题。。。。

    嗯,看懂的给顶一下。。。

    [2] 评论
  • 2楼
    2016-01-04 15:24 大头米少

    想起了那些由机关触发的爆炸装置

    [2] 评论
  • 3楼
    2016-01-04 15:38 已注销用户

    看那个找同类的小液滴动图,总觉得那个小液滴是被别的颜色踹出去的……

    [41] 评论
  • 4楼
    2016-01-04 16:04 q68257962
    根据研究,不足百万分之一牛顿的力就可以驱使小液滴运动了。

    初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    [1] 评论
  • 5楼
    2016-01-04 16:56 蓑雨吟

    上帝的代码。。。。。

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 6楼
    2016-01-04 18:53 新社会革命者

    前排!

    [0] 评论
  • 7楼
    2016-01-04 19:48 盗梦失

    这样那两颗互追互跑的水滴,不就成永动机了? 求大神解答

    [0] 评论
  • 8楼
    2016-01-04 20:09 索克的尾巴尖
    引用@盗梦失 的话:这样那两颗互追互跑的水滴,不就成永动机了? 求大神解答

    靠蒸发驱动的,干了就没了

    [12] 评论
  • 9楼
    2016-01-04 20:24 梦游侠

    液滴互相追逐的原因比较难理解,想了半天总算明白了,作者最好用箭头标记出液滴内力的方向

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 10楼
    2016-01-04 20:31 傅科摆

    你追我,如果你追到我,我就让你嘿嘿嘿

    来自 果壳的壳
    [46] 评论
  • 11楼
    2016-01-04 20:40 不明觉厉的吃瓜群众
    引用@快看卡莲在偷吃炸鸡 的话:看那个找同类的小液滴动图,总觉得那个小液滴是被别的颜色踹出去的……

    同感

    来自冬天必备暖手小米1s
    [0] 评论
  • 12楼
    2016-01-04 22:08 z1w1j

    本科生发现了一个可以写Nature的Idea……

    [0] 评论
  • 13楼
    2016-01-05 07:42 银河帆影
    引用@盗梦失 的话:这样那两颗互追互跑的水滴,不就成永动机了? 求大神解答

    蒸发完了就不动了。

    [0] 评论
  • 14楼
    2016-01-05 11:16 毛骡 金属材料学博士
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    仍然是。只是不是直观的力。

    [1] 评论
  • 15楼
    2016-01-05 11:19 Sam-3

    好玩好玩,又有理由让自己学习知识了

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-01-05 12:24 gundamfire
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    力不是运动的原因,是改变运动状态的原因。先别急着批评。

    [0] 评论
  • 17楼
    2016-01-05 12:50 Nightenstar

    然而我洗澡时早就发现了T_T

    [0] 评论
  • 18楼
    2016-01-05 14:47 冰糖_葫芦娃_哈哈
    引用@盗梦失 的话:这样那两颗互追互跑的水滴,不就成永动机了? 求大神解答

    它不是永动的啊,原文说了,动力来源是不平均蒸发和表面张力的共同作用,随着蒸发,液滴的体积越来越小,能量也越来越小,最终会停止运动

    [0] 评论
  • 19楼
    2016-01-05 15:43 變了好多啊

    自身表面张力在哪来的?水的特性吗

    [0] 评论
  • 20楼
    2016-01-05 16:06 有个好头像也很重要

    滴一滴刷牙的泡沫到水面上能把别的泡沫推走,原理好像也类似

    [1] 评论
  • 21楼
    2016-01-05 16:45 WangNianyi2001
    引用@傅科摆 的话:你追我,如果你追到我,我就让你嘿嘿嘿

    我追你,如果我追到你,我就把你嘿嘿嘿

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-01-05 16:54 万色返空龙
    引用@快看卡莲在偷吃炸鸡 的话:看那个找同类的小液滴动图,总觉得那个小液滴是被别的颜色踹出去的……

    从原理来看 确实是被踹出去的

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-01-06 09:12 grandir2011

    只看图,还以为永动机诞生了……

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-01-06 09:47 flyiop1
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    然而在日常生活中摩擦力是广泛存在的。所以只要没有足够驱动力,那些你看得见摸得着的物体就是不会持续运动。

    [0] 评论
  • 25楼
    2016-01-07 19:55 1234578451256

    我想起了agar.io

    [1] 评论
  • 26楼
    2016-01-07 20:35 1234578451256
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。


    力是物体对物体的作用,力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。

    此逼保你被雷劈,因你装的是傻逼

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-01-16 21:03 三向块
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    力不是维持运动的原因


    [0] 评论
  • 28楼
    2016-02-03 11:47 1234578451256
    引用@Nightenstar 的话:然而我洗澡时早就发现了T_T

    你的浴缸是经过灭菌的玻璃片,洗澡水是食品色素溶液?膜拜。

    [0] 评论
  • 29楼
    2016-02-03 19:06 Nightenstar
    引用@1234578451256 的话:你的浴缸是经过灭菌的玻璃片,洗澡水是食品色素溶液?膜拜。

    .。。。。。不是浴缸,是玻璃&肥皂水,就有类似的排斥现象,吸引现象

    [0] 评论
  • 30楼
    2016-02-13 15:24 又一个年头
    引用@q68257962 的话:初学物理,就指出力不是运动的原因了。

    原文是“驱使”小液滴运动。。。。小液滴由相对静止到运动是需要力来改变物体运动状态的好吧………

    来自 果壳的壳
    [0] 评论

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