@ 2017.11.18 , 20:00

非凝结现象:MIT的研究人员找到了其中的机制

非凝结现象:MIT的研究人员找到了其中的机制
Credit:MinuteLaboratory/YouTube

雨天里你有没有见过水滴在池塘里弹跳掠过水面,或者牛奶倒进一杯咖啡里弹起的液滴?说起来可能匪夷所思,科学家们最近才搞清里面的机制。

麻省理工的科学家发现,在液体与其余部分充分融合以前,要想在液体表面上形成液滴,温差是关键。他们的研究找到了控制并重复这一过程的手段。

大多数情况下,将液体倒入或滴在同一液体上,它们会立即结合在一起,但有时会发生液滴浮在液体表面上的现象。这种违反直觉的现象被称为“非聚结”——它在科学中有着用途广泛。

对非凝结现象机制的探索,对于研制液体乳液形态的材质很有帮助,比如药品、化妆品和油漆;这种现象在微流控芯片技术中也有潜在的应用,其中微小液滴可以用于将试剂运送到特定位置,或者作为微重力轴承珠。

因此学界积累了丰富的相关研究,研究人员能够使用几种不同的技术来实现这一现象。带有相反电荷的液滴表现出不聚结,有点像是垂直放置的简谐振子系统。

科学家也知道影响非聚结的因素。包括表面张力、液滴落下的高度、电荷和液滴大小都会在液滴形成过程中,对非凝结现象的持续时间产生影响。

但是要想理解它为什么会发生,以及如何控制它,就需要科学家们付出更多的努力。

一种可能的机制猜测是液体的表面被空气薄膜润滑,或者在液滴和液面之间可能存在空气薄膜层。同时,1996年的一项研究描述了温度差异对液体发生非聚结现象的影响。现在由麻省理工学院机械工程专业的研究生Michela Geri所领导的的一个研究小组对这个奇怪的现象所涉及的温差进行了数学分析。

Geri说:“利用我们的新理论模型,工程师可以确定初始临界温度差来分别维持他们需要的两个水珠,以及由这些悬浮水滴构成的轴承所能承受的最大重量是多少。如果你对模型有了基本的理解,你就可以按照你所希望的方式设计微重力液滴轴承。”

为了进行必要的实验,Geri建造了一个盒子,地板由金属构成,里面装满了硅油。将盒子放在热源上,然后她使用注射器将相同粘度的油滴滴定到槽中。实验在一系列变化的温度范围内进行,粘度范围从稀薄到如水到粘稠500倍。高速摄像机以每秒2000帧记录实验图像。

Geri发现,底层液体和液滴之间的温差越高,不聚结的可能性就越高。相差30摄氏度(华氏54度),她可以保持10秒以内的不发生聚结。

液滴持续时间的长短似乎取决于初始温度差,以及液滴形成时的临界温度。

这是因为温差会在液滴和表面之间的空气薄层中产生热对流或热传导。温度差越大,传导越强。

研究小组还研究了温差与液滴在液体表面上停留的时长之间的关系。 “温度差异,会在水滴内部产生一个能量流向,从底槽中吸收热量,使水分子循环流动,直到水滴温度与液体温度相同,那时候就将发生液体间的融合。”研究报告的合作者数学家说John Bush,“我们能够用数学来刻画整个过程。”

据Bush说,科学家现在可以利用这项技术来研究雨水和海浪喷溅会如何传播化学和生物制剂。“化学试剂的混合速度取决于在接触后液滴的持续时间,现在我们知道这取决于彼此的温度,我可以为这个论断负责。”

研究团队将论文发表在《the Journal of Fluid Mechanics》上.

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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