斯坦福学生的奇妙五年: 从起舞的液滴, 到Nature论文
海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
经过数百次的实验，来自斯坦福的研究人员揭开了一个令人费解现象的背后秘密，一个貌似简单，却又极其深刻的发现：在一定条件下，液滴能够互相配合，自行运动，就好像由分子物理导演的一场芭蕾舞会。他们将成果发表在《Nature》，而这一切，居然都源自一位本科生的意外发现，以及他的好奇心和坚持。
作为文章通讯作者的 Manu Prakash教授介绍，“这些液滴能够感知彼此。他们翩翩起舞并且相互作用，就像活体细胞一样。”这奇妙现象的背后藏着怎样的秘密呢？ 而我们又能从本科生的敏锐与执着之中，学到什么？
文末可以下载论文。另请关注今日三条，威斯康星大学计算材料组招收博士研究生。
早在2009年，Nate Cira还在威斯康辛大学读本科。做实验的时候中，他将几滴食品色素滴在消毒过的载玻片上，然后惊异地发现，这些液滴竟然开始移动，就像下面这张照片所显示的那样。多个液滴互相追逐、碰撞，仿佛就是翩翩起舞的芭蕾：
Cira独自重复这种实验，并花了两年时间研究这一现象，直到进入斯坦福大学读研究生，也还念念不忘。他将这一奇妙的发现分享给了Prakash教授。教授很快也痴迷于此，并拉着自己实验室的博士后Adrien Benusiglio，共同研究这一问题，终于发现其中的奥秘。
要知道，这种发现可能对于半导体的制造、药物输送，以及可自动清洗的太阳能电池板具有意义。但真正令Prakash兴奋的是，这一发现源自Cira的敏锐以及多年的努力和执着，这是一份对于科学奥秘的不懈追求。
他们共同花了三年时间，不断对实验进行改进，研究这些微小的食品色素液滴如何相互作用并移动。在活体细胞中，这种感知过程和移动性被称作趋化性。
Prakash说：“我们已经发现这些液滴是怎样展现出这种类似人工趋化性的行为。”
他们在论文中提到，食物色素实际上是含有两种成分的液体。两种化学成分在共存的同时，保留着各自独特的分子特性。在实验中，这两种成分为水和丙二醇。而研究团队所发现的正是它们之间动态的交互作用导致的类似人工趋化性的行为。
从根本上讲，液滴的舞蹈行为源自表面张力和蒸发作用的精妙平衡。蒸发作用很容易理解。在任何液体的表面，部分分子转换为气态，飘散而去。表面张力则是促使液体成为挺立珠状的原因，这由液体中分子的紧密程度而决定。
我们知道，水的蒸发速度比丙二醇更快。同时，水的表面张力也更大。这种差异造就了液滴中龙卷风一般的涌动。这不仅能够让它们移动，还能使单个液滴感知到周围的液滴。
为了更好地理解这些分子作用力，我们可以想象自己缩小并钻进液滴里面。在那里，水和丙二醇的分子保持均匀分布，但是蒸发作用和表面张力的差异则导致了骚动的产生。
在每个液滴的弧顶，水分子转换为气态并逃逸，这一进程比其邻居丙二醇要快。研究发现，这一蒸发现象在液滴边缘较薄的部位更为明显，进而在这一位置留下了更多的丙二醇。而液滴弧顶部位则有更高含量的水。
顶部的水通过其更高的表面张力将液滴拉得更紧，而不会变平。这种牵引形成了液滴内部分子的翻转运动。所以，正是表面张力使液滴获得了翻滚的能力。
蒸发作用则决定了此种运动的方向。每个液滴将其自身周边的气态水分子发送出去，就像一个辐射状的信号源，向其他液滴告知其方位。这些液滴会汇聚到信号最强的地方。
因此，蒸发作用提供了感应机制，表面张力则牵引着液滴走到一起，这看起来就如同精妙的舞蹈。
这几位学者还将水和丙二醇按照不同比例混合，进行试验。结果含有1%丙二醇和99%水分的液滴和含有三分之二丙二醇的液滴具有几乎相同的行为模式。
基于这些实验，他们总结出一条“通用法则”来鉴定一切含有两种成分，并能展现出感知能力和移动性的液体。为这些混合液体添加颜色可以让我们更清楚地看到，不同浓度的液滴是如何运动的，并能够展现出神奇的视觉效果。
在一个实验中，拥有更多丙二醇的液滴看起来会追逐具有更多水分的液滴。实际上，水分更多的液滴具有更高的表面张力，会牵引丙二醇更多的液滴靠拢。
在另一项实验中，研究人员则展示出这些分隔的液滴如何凭借其微弱的蒸发作用信号，自行排成一排。
而第三个实验，他们使用马克笔在载玻片上画出黑线。这些线条改变了载玻片的表面，创造出一系列的集水槽。研究人员在每个槽中滴入不同浓度的液体，创建出一个自动分类系统。奇妙的是，液滴在不同的“水池”中跳跃，直到发现浓度匹配的液体，融入其中。
这个最初由好奇心发展而来的研究项目，也许能够带来更多的实际应用。对双成分液体物理特性的深入理解，能够让研究者预测哪些液体和其表面可以展现出这种非凡的效果。这些现象能够在许多液体表面看到，并且可以在很多化学成分中实现。
麻省理工学院的流体力学教授John Bush在接受采访的时候说， “This is a beauty.” 这真是一个美妙的实验，新的机理就像砖头一样，工程师们能够利用它构筑大厦。微流体是一个快速增长的领域，有其广泛的应用前景，而这个工作让我们能够非常有效的控制液滴。
Nate Cira 则说，“We found this system too fascinating and beautiful not to explore.” 他现在是斯坦福生物工程系的研究生，本科生的时候就在Lab on a Chip以第一作者身份发表文章，已经被引用62次。而他的Nature论文，也已经被引用37次，并被科学美国人专题报道。
“如果必要性是发明创造的母亲，那么好奇心就是它的父亲。”Prakash这样讲道。
当然，最后还需要持之以恒的努力和坚持，才能把孩子生下来。Nate为此花费了五年的功夫！
另请关注今日三条，威斯康星大学计算材料组招收博士研究生。
公号内回复“液滴”，下载论文
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=r0342xinzan&width=500&height=375&auto=0
参考资料
https://engineering.stanford.edu/news/stanford-engineers-solve-mystery-dancing-droplets
https://www.scientificamerican.com/article/2-common-liquids-spontaneously-form-dancing-droplets-video/
扩展阅读
本文为知社原创编译，媒体转载请联系授权
投稿、授权、合作事宜请联系
service@scholarset.com 或微信ID: scholarset
回复“目录”或“分类”，浏览知社更多精华。长按二维码识别，可以关注/进入公众号进行回复。