让水滴能漂浮在水面上?你也能试试看的漂浮液滴魔法!

你曾在某次把冰牛奶倒入热咖啡或热红茶,发现漂浮在水面上,莫名不肯溶为一体的小水珠吗?这种自然现象名为「非黏合(noncoalescence)」,也能在下雨的池塘、浪花拍打的海面与你家浴缸里观察到。

你曾注意过冰奶油球滴入热咖啡时,会有片刻漂浮在咖啡表面上吗(图片来源:MIT 研究团队)

过去科学界已发现、黏度(viscosity)、表面张力、液滴落下的高度、静电荷与液滴的大小等,都会影响漂浮液滴的形成与持续时间。但由麻省理工学院(MIT)机械工程博士生米琪拉.杰瑞(Michela Geri)领导的团队不但找到漂浮液体发生的关键因素,还发现了如何操控过程的方法,读完后快来跟泛科学编辑群一起玩玩看吧!(v编和y编已经试过了!还一起喝了咖啡!)

图片来源:How to levitate a droplet on a liquid surface

根据 MIT 团队发表在 2017 年第 833 期的《流体力学研究期刊》(Journal of Fluid Mechanics)的研究结果,简单来说,如果落下的液滴温度够冰,而被滴入的液体够热,则这其中的温度差就可能创造出暂时漂浮在液体上的液滴。

「根据我们(建构的数学模型)理论,工程界能找到保持两颗液滴互不溶合的温度差,以及如果用这些液滴建造出一个轴承,其所能维持的最大重量为何。」杰瑞指出

这个研究的开端,源自 MIT 数学系应用数学教授约翰.布希(John Bush)在博士班课程「界面现象(interfacial phenomena)」向学生提出的问题:「为什么温度差对水液滴黏合有影响?」而杰瑞正好选修了这堂课。

为了进行实验,杰瑞打造一个约 Espresso 咖啡杯大小,四面为压克力、底为金属的小方盒。这个小盒子装着矽油(silicone oil)并放置在冷热板测试仪( hot/cold plate)上,更上方有一个注射器,用来滴入与方盒中相同黏度的矽油。

杰瑞除了透过冷热板测试仪调整温度,逐一测量滴下的油滴温度与盒子内矽油表面的温度外,也研究不同黏度矽油的影响(从稀如清水到水的 500 倍浓稠度)。她同时运用高速摄影机,以每秒 2000 帧的速度记录矽油从滴下到彻底溶入盒中矽油的过程。

结果,当液滴与液体的温度差异越大,越容易形成非黏合现象。当两者的温度相差达摄氏 30 度时,杰瑞能让液滴维持至少十秒的非黏合现象。她进一步发现了让液滴形成的最小温度差,以及双方起始的温度差如何影响漂浮液滴维持的时间。

温度差创造的神奇空气魔毯!

研究团队特别透过数学公式,解释液滴与液体之间的空气在现象中扮演着什么样的角色。他们发现,液滴与液体的温度差,会对夹杂在两者中间的空气层产生影响,防止液滴被液体接触与吸收。

原来温度差会导致空气层产生对流循环。当起始温差越大,空气的流动也会变强,当气流循环产生的力强到足以支撑液滴的重量,就变成了能让液滴漂浮的神奇魔毯啦!

同时间,温度差也让液滴内部产生一股吸收液体热能的流动,随着时间过去,液滴的温度会越来越接近液体,当两者的温度差异逐渐消弭,液滴最终就「咚」地落入液体。

这个研究成果不但可以应用在医药用及美妆用的乳状液研究上,也能帮助工程师改良微流体晶片(microfluidic chip),例如让晶片内带着特定成分的液滴,在抵达特定的区域,达到某个特定的温度时,才会进行溶合。而研究共同作者之一布希也指出,既然液滴从悬浮状态到被液体溶入的秘密被解开了,未来科学家就有机会进一步根据温度的变化,了解雨滴或海水是如何透过液滴传播与混合特定的化学与生物介质。

原始论文:

  • Michela Geri, Bavand Keshavarz, Gareth H. McKinley and John W. M. Bush. Thermal delay of drop coalescence, Journal of Fluid Mechanics. Published online: 08 November 2017

参考资料:

  • , MIT News, [ Nov 14, 2017]
  • . .Science Alert.[ Nov 16, 2017]

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