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小水滴自动对齐还不融合是什么原理?

2020.2.25

你有没有曾经玩过颜料或者色素的游戏呢?不同颜料或色素是很容易融合在一起的,混合之后它们就会变成不同的色彩,比如像下面这样。

但是,如果我们做个小手脚,就可以让色素“活”起来,让它们只能和“自己人”结合,排斥其他颜色。

这是怎么办到的呢?

其实原理很简单,只要把色素掺到不同配比的1,2-丙二醇和水的溶剂里,并让含水量从上到下逐渐增加就可以了。

要知道,只用水做溶剂的话色素是不会跳舞的,必须往里面加点其他材料才行。

1,2-丙二醇是一种有机溶剂,也是常见的食品添加剂。和水相比,它的表面张力(点我了解表面张力)和蒸发速率都小一些。

1,2-丙二醇和水混合后,水比1,2-丙二醇蒸发得快,因此,液滴中水的浓度不断下降,表面张力也逐渐减小。

那么两滴液滴靠近后会发生什么事呢?

两滴靠得比较近的液滴都在向外蒸发水分。它们靠近的地方的空气湿度比较高,因此水分蒸发速度比较慢。如此一来,它们的共同边界因为水分含量高而有更大的表面张力。

表面张力小的液体会流向表面张力大的液体,因此,最终两滴液滴会在边界巨大的表面张力作用下融合到一起。

如果2个液滴的水分含量不同,那么当它们相遇时,表面张力小的那一个就会追求表面张力大的那一个。这就会产生下面的动画里的奇怪的追逐戏码。

如果用签字笔在玻璃上画上横条,液滴们就会像被结界围住一样,被困在横条之间,还会相互对齐,非常乖。

液滴的这些行为有点像生物的趋化性(Chemo-taxis)——细胞和细菌自动地追逐某些化学物质的现象。

听起来两三句话就能解释的现象其实一点也不简单。色素液滴舞蹈背后的原理,花了斯坦福大学博士Nate Cira整整三年的时间。

功夫不负有心人,最终,Cira找到了“编排”色素液滴舞蹈的物理规律并把结果发表在了知名期刊《自然》上。

听起来像孩子胡闹一样的研究,实际上有大用处呢。Cira发现的规律适用于任何能够相融的溶剂。利用这种性质,未来或许可以设计出让太阳能板自己清洁自己的方法,很厉害吧!



        



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