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为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

更新时间:2022-07-22 13:36:02

水滴,已经快要被玩坏了。

在大刘的《三体》小说里,水滴代表了高科技。

要说实际一点的用法,利用水滴,我们可以拍摄一段动画广告。

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

虽然水滴是自由落体运动,快速下落的,但是配合频闪灯光和水滴落下的时间,我们就能只让我们想要的液滴出现,从而呈现连续的动画了

科学家们关于液滴也研究了很多,比如往水里面滴入一滴液体以后,溅起的液体里面到底包含多少原来液体的成分?两种液体是怎么混合的?

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液滴与一个完整的液体互相混合的过程,我们可以看到各个部分液体是怎么组成的

尽管水滴身上的聚集着人们很多的目光,但在它们身上,科学家们还是玩出了不一样的「花」

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图片来自 @percolategalactic

会走迷宫的液滴

Droplets in maze

现在人工智能发展地越来越快,造出来一个能够走迷宫的机器早就不算什么新鲜的内容了。比如著名的 DeepMind 公司就曾经开发过一个在迷宫中能够执行搜索任务的 AI,通过观察屏幕上出现的像素,来预测和决定自己下一步的动作。

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DeepMind 开发的非监督辅助任务中的强化学习模型,AI 在迷宫中执行搜索任务,上图显示了其如何获取数据并进行分析,最终转化为估值函数

控制液滴来走迷宫这件事情其实也有很多物理学家干过,利用莱顿弗罗斯特现象,当液体接触到远超出沸点的表面时,液体的表面会在高温的作用下迅速汽化形成一层有隔热作用的蒸汽,从而令液体沸腾的速度大大减慢。如果我们把高温的表面做成有一定倾斜角的锯齿状的话,那蒸汽就会推动液体向前移动了。

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莱顿弗罗斯特现象,在往高温,远超出液体沸点的表面上滴液滴时,液滴并不是像我们想象的快速蒸发掉,而是会在表面和液滴之间形成一层薄膜从而阻止其蒸发。如果表面并不平整,那么这层空气薄膜还会推动液滴运动

只要设计好特定的倾斜角度和路线,我们就可以让液滴沿着任意的轨迹前进。

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通过在不同的地方放置不同方向的斜面,在上述效应的作用下液滴就会定向运动了

当然,这样走迷宫确实有点作弊,我们相当于已经提前告诉液滴该怎么走了。那有没有什么不作弊的方法呢?物理学家其实研究过利用浓度来驱动液滴移动

他们研究的不再是水滴,而是研究了癸醇液滴在覆盖有癸酸钠水溶液玻璃表面的运动。 不同的 NaCl 浓度梯度驱动着液滴往不同的方向移动。而且,这个过程还是可逆的。在不同的地方放置 NaCl,癸醇液滴就可以在玻璃板上来回的移动。这个现象其实和在纸船背后放上一个肥皂,在表面张力的作用下纸船会前进的现象有点类似。

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上图为实验示意图,在不同时刻不同位置放置 NaCl ,癸醇液滴始终会发生运动,这个运动过程是可逆的。图片修改自 Langmuir, 2014, 30 (40), pp 11937–11944

物理学家们对这一过程研究地十分全面,评估了产生这个运动所需要的时间和迁移速度,以及其余癸酸钠溶液浓度和 NaCl 浓度梯度的函数关系。 这个关系不仅仅在上面展示的直直的玻璃板上起作用,在十分复杂的环境中,癸醇同样可以沿着形成的浓度梯度迁移。

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在 NaCl 梯度的作用下,癸醇液滴沿着正确的方向通过迷宫,走向终点。图片截取自作者论文 Langmuir, 2014, 30 (40), pp 11937–11944 的补充材料

假如我们在迷宫的出口处放上 NaCl,那么在迷宫内会自然地建立一个完整的单向的浓度梯度,从起点指向终点。对于那些错误的道路,因为内部封闭,所以浓度一定比正确的道路的浓度低,从而液滴不会沿着错误的道路前进。从最后结果来看,液滴一路小跑奔向了重点,就像它已经预知了迷宫的正确路径一样。

这种反应其实也有很多实际的意义,比如跨越复杂的环境定向携带和释放化学物质,实现对于浓度梯度的选择性,或者用于液体分类等。

怎么玩出「花」

Flowers

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

利用声波可以控制水流的方向

从牛顿时代开始,人们就认识到声音是一种波,由空气的疏密变化导致的。牛顿当时还建立了模型计算得到声速为 298 m/s,比起现代的实测值小了 15% 左右。如果声音在空气中传播形成驻波,声场中的压强对液滴施加的压力与液滴之间的重力存在力平衡,从而可以悬浮在空中。在一些情况中,在声场和液体表面张力的双重作用下,液体会形成圆盘一样扁扁的形状,而不是一个圆圆的球。

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在声场的作用下,液体变成了一个圆盘

静止的情况下是这样的,但是如果我们再周期性的改变声场的场强,也就是声波的大小,则可能会破坏这种圆盘的形状。此时会在圆盘的最外缘形成周期性的波浪,这个波浪沿着圆盘边缘传播,从视觉上来看,液滴变成了星形,有突出的地方。

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在振动的过程中可以看到明显的波峰和波谷,因为其具有两重旋转对称性,我们将其标记为 2nd Harmonic(第二简谐模式)

因为产生的波实际上要满足周期性的条件,也就是转一圈以后这个波是回到原位,所以这个波也是驻波,我们可以清晰地看到波节和波腹,也就是最肥宅最懒得动的地方和最活泼好动的地方。这种星型有很多种模式,通过计算我们可以知道特定的振动频率和振动的波形,液体表面张力,液体密度和圆盘的半径之间的关系。

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圆盘边缘振动的本征频率公式

从公式中,我们可以看到 n 的取值其实比较随意,在我们仪器允许的调节范围内,我们可以得到丰富的图案。

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第 3 简谐振动模式,振动具有三重旋转自由度,每转过 120 度图案和原来的图案重合。

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第 5 简谐振动模式,振动具有五重旋转自由度,每转过 72度图案和原来的图案重合。实际上在参考链接 中作者给出了更为丰富的比如四重对称,六重对称以及更高阶的振动图样,甚至非线性振动的图样。

高射炮打液滴

Is it wasted?

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

所谓的高射炮打蚊子——大材小用,就比如我们制造出了一个超疏水的材料,它永远都不会被打湿,然后我们把这种材料做成一把刀用它来切水……

大家都知道一段歇后语,高射炮打蚊子——大材小用,但是对于那些「无聊」的物理学家们来说,拿高射炮打蚊子其实还是一件很有趣的事情。这个故事发生在 2016 年,我先来解释一下这个「大炮」是什么。运动的电荷会产生电流,而电流会在周围产生电磁场,而变化的电流则会产生电磁场,从而辐射出电磁波。当辐射出的电磁波的能量高到一定程度,就是我们说的 X 射线了。而位于美国斯坦福大学的直线加速器相干光源 LCLS(Linac Coherent Light Source)——世界上第一台硬 X 射线(能量更高的 X 射线)自由电子激光器,正是我们手里的「大炮」。

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

看起来很像一把钥匙的 LCLS 装置,科学家利用高能的 X 射线穿透材料,探测和测量材料的各项属性

而那个可怜的蚊子,是只有 40μm 大小的水滴,我们一根头发的直径都有 100μm。

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

利用多次重复拍摄得到的液滴被 X 射线照射以后的动力学过程. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

由于激光脉冲拥有巨大的能量,瞬间就可以把水滴蒸发。蒸发以后的水蒸气推动着周围的水滴逐渐崩溃。其实上面这张动图的拍摄也颇为不易。实际上,上面这个过程是实验人员重复做了上百次的实验,真是可怜这些「蚊子」了,被打爆打爆不断地打爆。在打爆的过程中,需要先使用不同延迟的超快激光来照亮液滴,再用高分辨率的显微镜照个相。每次的过程都只能拍一张照,最后将所有的照片放在一起才合成出来的完整的视频。

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

利用多次重复拍摄得到的连续的水流被 X 射线照射以后的动力学过程. 由于高温水蒸气的推动, 我们看到液体在图中变成了伞状. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

当然,物理学家们射「蚊子」并不是为了好玩,而是因为如果我们有其他样品需要接受这台机器 X 射线的照射的话,一般都是用液体作为载体。把整个液体的过程研究清楚了,研究人员才能够更进一步地控制实验条件,打爆更多的蚊子。

其实……

Finally

为什么只在特定溶液中超疏水(这些小液滴,被科学家玩出了「花」)

把熔融的金属液滴丢到水里面也挺好看的

* 文中未特别注明的图片均来自 Giphy 以及 Reddit

* 参考文献以及链接:

Dynamics of Chemotactic Droplets in Salt Concentration Gradients Langmuir, 2014, 30 (40), pp 11937–11944

Video from the paper "Shape oscillation of a levitated drop in an acoustic field" by W. Ran S. Fredericks (Clemson University, Department of Mechanical Engineering)

美国直线加速器相干光源 LCLS

物理学家如何玩转一根头发丝

First movies of droplets getting blown up by x-ray laser

编辑:Cloudiiink

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