[物理]【Simon】极限安全工厂新年篇——奔跑吧！小液滴

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。

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。

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。