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在水中有沒(méi)有可能呈現(xiàn)出多邊形的油滴呢?
來(lái)源:科技工作者之家 瀏覽 979 次 發(fā)布時(shí)間:2022-03-07
出品:科普中國(guó)
在我們品嘗各式美味湯肴時(shí),你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)湯里漂浮的油滴大都是圓形的。那么,為什么生活中見到的小油滴在水中呈現(xiàn)的是圓形,而不是四邊形、五邊形抑或是多邊形?在水中有沒(méi)有可能呈現(xiàn)出多邊形的油滴呢?且聽我們一一道來(lái)。
圖片來(lái)源:作者提供
油滴在水中形成圓形的原因——表面張力
油滴之所以能漂浮在水的表面,首先是因?yàn)橛秃退幌嗳?。如果是相溶的兩種物質(zhì),那就不存在“形成特定的形狀”這一說(shuō)法了。
那么,既然不相容,就必定存在一個(gè)相交的表面,如下圖中的油水分離表面。
圖片來(lái)源:截圖自制
在表面化學(xué)中,物質(zhì)的兩相之間密切接觸的過(guò)渡區(qū)稱為界面,如氣-固、氣-液、固-固、固-液及液-液界面。我們習(xí)慣將其中的氣-液和氣-固界面稱為表面,其余稱為界面。二者并無(wú)嚴(yán)格區(qū)分,常常通用。
那么,對(duì)于任何一個(gè)表面,處在物質(zhì)表面層(也稱“表面相”)的分子,與內(nèi)部分子在受力情況、能量狀態(tài)和所處的環(huán)境等方面均不相同。我們以純液體表面為例進(jìn)行分析。
上方為氣相,下方為液相,圖中分別用B和A表示表面分子和液體內(nèi)部分子。
液體內(nèi)部分子A與周圍分子的作用力是對(duì)稱的,相互抵消,合力為零,因此A在液體內(nèi)部移動(dòng)時(shí)不需要做功。而對(duì)于表面分子B,與表面下的水分子相互的作用力強(qiáng)烈,與表面上的空氣作用力則較弱。由于上下的作用力大小不一致,因此B處于一個(gè)不對(duì)稱的力場(chǎng)中,形成了一股指向內(nèi)部的合力,此力力圖將其拉回液體的內(nèi)部。
圖片來(lái)源:參考資料2
當(dāng)有內(nèi)部分子A想從液相移至表面層成為分子B時(shí),那就必須克服這股合力對(duì)分子的影響做功,這時(shí)分子能量增加,意味著B比A具有更多的能量。
而高能量的系統(tǒng)總是有趨于更穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì),因此B就會(huì)自動(dòng)收縮其表面積以達(dá)到穩(wěn)定。這時(shí),表面上存在的使其表面積自動(dòng)收縮的力,就被人們定義為表面張力。
表面張力垂直于邊界線且指向表面內(nèi)部,且總是作用在表面上,如果表面是彎曲的,則表面張力就是沿著曲面的切線方向。
由上述我們可以知道,在表面的邊界上,表面張力使物質(zhì)的表面積趨向于收縮變小的方向發(fā)展。而在體積一定的情況下,球體是表面積最小的幾何體,所以上述的小油滴本身是最想變成球體的。
但是,由于我們所看到的油滴在水面上,變化空間為二維而不是三維,在面積一定的條件下,圓形是邊長(zhǎng)最小的幾何圖形,因此油滴在水中呈現(xiàn)圓形。
確定地說(shuō),只要有表面存在,就會(huì)有表面張力。除了油滴在水中成圓形外,生活中其實(shí)還有許多現(xiàn)象都是表面張力形成的。
生活中的表面張力
不僅是液液之間,表面張力存在于生活的每一處——清晨凝聚在葉片上的露珠、緩緩落在水面的液滴、高于杯面卻沒(méi)溢出的水、在水面上滑行奔跑的水黽等。
常見的固-液之間的生活現(xiàn)象都是在表面張力的作用下形成的。
圖片來(lái)源:作者提供、參考資料3
在液體與氣體接觸的表面層,表面張力也會(huì)出現(xiàn)表面收縮的趨勢(shì)。
用牙膏刷牙時(shí),會(huì)吐出些牙膏白沫,而牙膏白沫一旦落在水面上,便會(huì)立即向四周散開,可見水的表面張力比牙膏液的表面張力大。
我們就是利用這個(gè)道理來(lái)幫助清潔口腔的。刷牙前,先用清水漱漱口,再用牙膏刷牙,這時(shí)會(huì)使得牙膏液在水的表面張力作用下充斥整個(gè)口腔,污物便更容易隨著牙膏液和水被清洗干凈。
同樣,肥皂、洗滌劑及洗衣液等,也是通過(guò)表面張力的原理來(lái)去除污垢、清潔衣物的。
圖片來(lái)源:參考資料4、5
在工業(yè)上,用于測(cè)定表面張力的表面張力儀最常見的應(yīng)用,就在清洗劑方面,用于剖析外表面活性劑的吸收速度、性質(zhì),研究適宜的濃度等。表面張力儀同樣能在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、電力、石油和化妝品等十多個(gè)重要行業(yè)中有所應(yīng)用。
當(dāng)我們結(jié)合實(shí)際現(xiàn)象、了解到背后的科學(xué)原理后,往往就會(huì)思考能否控制表面張力,打破這種平衡,從而更好地服務(wù)我們,滿足我們的需求。
比如,將圓形的油滴通過(guò)一些方法變成我們想看到的多邊形油滴!雖然這聽起來(lái)不可思議,但是科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做到了!
方形油滴在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)出現(xiàn)了
芬蘭阿爾托大學(xué)(Aalto University)的Jaakko Timonen教授的課題組在9月15日的《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上發(fā)表了關(guān)于這一過(guò)程的新研究。
他說(shuō):“平衡態(tài)的東西都太無(wú)聊了。把系統(tǒng)推離平衡態(tài),去看看非平衡的結(jié)構(gòu)能不能被控制、能不能被利用,卻很有意思”。
圖片來(lái)源:參考資料6
在這項(xiàng)研究中,團(tuán)隊(duì)將油與多種具有不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的液體混合后,通過(guò)施加電場(chǎng),界面發(fā)生剪切,會(huì)脫離平衡狀態(tài),產(chǎn)生有趣的結(jié)構(gòu)。液滴形成了許多出乎意料的圖案,可被控制成為方形或六邊形,每條邊都是筆直的,這在自然界中幾乎是不可能的。
液體甚至可以在誘導(dǎo)下形成甜甜圈狀的圓環(huán),在電場(chǎng)中保持形狀穩(wěn)定。這也是自然條件下不可能做到的——這樣的液體結(jié)構(gòu)會(huì)具有強(qiáng)烈的坍縮趨勢(shì),填補(bǔ)中心的孔洞。
實(shí)驗(yàn)還實(shí)現(xiàn)了圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的細(xì)絲狀液滴。
圖片來(lái)源:參考資料6
了解本質(zhì),敢于創(chuàng)新
通過(guò)上述課題組的研究,我們能夠創(chuàng)造出在自然界幾乎不可能找到的液體形狀,這為我們帶來(lái)了制造動(dòng)態(tài)特定結(jié)構(gòu)的方法。這一結(jié)構(gòu)不僅能夠通過(guò)電壓的開關(guān)來(lái)控制,還對(duì)進(jìn)一步探索電壓控制的光學(xué)設(shè)備提供可能性。
而基于此項(xiàng)研究的另一項(xiàng)潛在的成果,是能夠構(gòu)造相互作用的滾動(dòng)細(xì)絲和微液滴。這對(duì)微生物基于各不相同的機(jī)制推進(jìn)的動(dòng)力學(xué)特性和集群行為也能進(jìn)行指導(dǎo)研究。
未來(lái),相信會(huì)有越來(lái)越多的新方向等待被開發(fā)。
科學(xué)其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn),只要你細(xì)心觀察,潛心鉆研,也許從你身邊的一個(gè)角落就能推衍出藏于其中的科學(xué)本質(zhì)。發(fā)現(xiàn)生活的美,再告訴人們?cè)鯓幽軌騽?chuàng)造出新的美,這難道不是一件很酷的事情嗎?
參考資料:
1.朱文濤,王軍民等,簡(jiǎn)明物理化學(xué),清華大學(xué)出版社北京;
2.表面張力的搜索結(jié)果_百度圖片搜索(baidu.com);
3.新浪看點(diǎn),水黽為何輕功了得原來(lái)卻有絕活|輕功|絕活|水面_新浪新聞(sina.com.cn);
4.刷牙中的泡泡-國(guó)內(nèi)版Bing images;
5.洗衣服-國(guó)內(nèi)版Bing images;
6.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1642
7.https://www.linkresearcher.com/theses/4634451c-6902-42d8-8118-15aff1f3eff7
制作:陳琳(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)陳勁濤(北京航空航天大學(xué))