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即使是化学家也被这一滴螺旋上升的水滴所迷惑

奥利弗·斯坦博克(Oliver Steinbock)

一滴溶剂像烧杯上的一个小舞者一样旋转,逐渐地把自己的小圆片抛到一边,直到什么都不剩。一些看到它的人认为它看起来像一个旋转的星系,或者是世界上最小的飓风。所有看到它的人都想知道到底是怎么回事——这包括在2011进行实验的研究人员。“KDSPE”“KDSPs”是一个GIF中溶剂星的神奇滴,叫做“一滴水二氯甲烷滴落了,因为它蒸发了”,星期四(1月11日)发布到ReDDIT的R/C化学RealActuIFIFs论坛。尽管GIF最近名声大噪(前24小时内超过2万张赞成票),但它还是源于德国化学杂志Angewandte Chemie上2011年发表的一篇论文。

这篇论文的主题很简单:当你将一滴二氯甲烷(DCM)溶剂释放到一个肥皂水烧杯中时,它看起来真的,真的很酷。佛罗里达州立大学化学教授、这项研究的资深作者奥利弗·斯坦博克说:“这是一个非常简单的实验,也是一个非常复杂的现象。”我们对此感到非常惊讶,而且我们仍然是。

为了建立实验,斯坦博克和他的同事们用不同浓度的水和一种叫做CTAB的实验室常用消毒剂填充了几只烧杯。他们用吸管在每个烧杯中加入一滴DCM(一种无色液体,有时用作脱脂剂),并将结果拍摄下来。每次试验总共需要20-30秒,肉眼都能看到。

那么,这是怎么回事

每滴沸点相对较低的DCM离开吸管后就开始蒸发。但是,当水滴接触到肥皂水溶液时,惊喜就开始了。

“DCM的密度比水高,所以你会希望它马上下沉,”斯坦博克告诉《生活科学》但是相反,一旦接触到水,它的一部分就会扩散开来,形成这样一种薄膜,将水滴固定在水面上……就像一艘船将水滴固定在水面上。”(尽管在上面的病毒GIF中看不到DCM薄膜,你可以在斯坦贝克上传到YouTube的其他几个实验视频中清楚地看到这一点。)

尽管这是一部类似于船的电影,但一小部分水滴确实开始下沉。从这个GIF的自上而下的有利位置看不到它;但是,一旦水滴接触到水,就会在水滴下面形成一个微小的气泡流。下降的DCM射流会缓慢收缩液滴的体积,但也会导致其旋转。”“这有点像你冲厕所,”斯坦博克说水有开始旋转和扭曲的趋势。这就触发了我们开始看到的水滴的旋转。

在几秒钟内,水滴立刻漂浮、旋转和蒸发。由于这些合力,较小的液滴最终开始脱离较大液滴的边缘。但它们并没有自行下沉,而是呈放射状射出,在薄膜表面一直向前移动,直到它们自己蒸发。

“这些液滴是自动推进的,”斯坦博克说。这是由于一种叫做Marangoni效应的现象,即表面张力高的液体比表面张力低的液体拉力更大。这种张力的差异会在系统上产生一个力,从而导致运动。

当实验中的DCM开始蒸发时,液滴的表面张力从外向内降低。小液滴开始在大液滴的边缘形成,直到周围水相对较高的表面张力将小液滴拉离,斯坦贝克称之为“弹道”轨迹。每一个单独的液滴都会一直向前移动,直到其表面张力变得同样不稳定,从而导致进一步破碎。最后,水滴分裂了很多次,再也看不见了. (2017年《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文进一步解释了这一现象。)

这些和其他力量继续旋转和收缩大DCM液滴,直到突然,它失去对称性,疯狂地喷溅成全蒸发。为什么这个系统突然从一种明显的对称状态变成完全的熵混沌,甚至连斯坦贝克和他的同事都感到困惑。在六次实验中,他们无法重新创建在这个GIF中看到的精确模式。”“我有点沮丧,不知道它到底有多复杂,”斯坦博克说,

不管多么复杂,这一滴溶剂还是和许多人看到它的内在和纯粹的东西说话。正如Reddit用户killerslinky所说:“以前我从来没有像现在这样把gif和这个小小的、微不足道的液体点联系在一起,它们在无边无际、漠不关心的海洋中漫无目的地旋转,而慢慢变成了一无所有。”

最初发表在《生命科学》杂志上

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