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马拉高尼流是如何阻止液滴合并的?

来源:把科学带回家 作者:万物 浏览 95 次 发布时间:2022-07-25

俗话说,水往低处流。可是14年前,有人发现了水可以逆流而上。不信,大家看这里——



紫色的颗粒沿着水流向上爬升


看到木有,水面的粉末随着逆行的水流回到了上方的容器里。可以,这很信条。


所以,这水是看了诺兰新片了吗?倒不是,这个现象是在2008年金融危机爆炸那年被一个叫做S.Bianchini的物理系少年发现的,距今已有14年。



阿根廷的传统马黛茶


当时,来自阿根廷的Bianchini正在泡阿根廷的传统马黛茶,马黛茶是用巴拉圭冬青叶子制作的,茶叶是粉末状的。当他倒水的时候,猛地发现茶叶竟然倒行逆施,自动飘到了茶壶里。



倒水时,如果壶嘴和下方液面距离很近,茶叶就会逆流而上,来到水壶里。


Bianchini的导师也没见过这种操作,于是后来Bianchini同学用这个做了毕业论文,然后顺利毕业了。


在论文中,他用马黛茶叶还有粉笔末在实验条件下重复了上述现象。Bianchini认为,这个现象并不是咱们在生活中常见的毛细现象导致的,而是由于马拉高尼效应。


马拉高尼效应咱们以前也讲过,表面张力不同的液体之间形成水流。咱们平时看到的酒杯挂壁,还有风油精小船都是马拉高尼效应导致的。



马拉高尼效应还可以用来让液滴自动解迷宫,超有趣的,回顾点这里。



Bianchini通过实验发现,马黛茶还有粉笔末可以减少下方液体的表面张力,因此上游的水表面张力大,下游的水表面张力小。而表面张力大的地方可以把表面张力小的地方的液体吸过去,形成马拉高尼流,所以水才可以倒流。


这个反直觉的物理现象说明,上游的水不一定比下游的干净,因为下游可以反过来污染上游。因此后来这个现象就被取名为逆流污染(upstream contamination)。


过了几年,罗格斯大学的工程学教授Troy Shinbrot对这个现象产生了兴趣,于是找了个学生和Bianchini用更复杂的实验再次验证了一番,并把结果发表在了2013年的Proceedings of the Royal Society A上。


Shinbrot他们用马黛茶叶还有粉笔末发现,逆流污染现象确实存在,液体可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水处宽度达到几米,这个现象依旧存在,冷水和滚水同样会出现逆流污染。


逆流污染


Shinbrot他们也再次验证了表面张力在逆流污染中的作用。经过测量,他们发现加了粉笔末以后,水的表面张力减小至原来的一半,加了茶叶以后减小至原来的1/3。


经过计算,加入粉笔末后,减少的表面张力可以给漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度,推动它逆流而上。



逆流污染


那么问题来了,如果这个现象真的是表面张力差导致的,那么消除上游和下游的表面张力差,水是不是就无法倒流了呢?


他们也测试了一下。他们在上游的水中加入了表面活性剂苯扎氯铵,减少上游的表面张力。果然,这么干了之后水就不会倒流了。


实际上,2002年麻省理工学院(MIT)的应用数学教授John W M Bush和同事也发现,如果在下方水池里加入表面活性剂,那么下方的水能够沿着瀑布倒流,逆行的高度最高可达到2厘米。


了解了这个现象后,相信各位弟弟都不敢在小便池里近距离滋尿了。



当然对于要做实验的研究者还有制药企业来说,这个现象还是很烦人的,这意味着用滴管的时候,下面的物质可能反过来污染滴管里的液体。



你以为马拉高尼效应可以让水流逆行已经很秀了么?在1992年,科学家们还注意到马拉高尼效应的另一个反常识的神奇技能。


咱们知道,水滴落到杯子里,会和杯子里的水融合在一起,这在物理学上叫做合并(coalesce)。



我们之前介绍过,通过振动液面,可以让液滴长时间不合并(点我看)。



那年,国际航天任务Spacelab mission D2的宇航员以及意大利那不勒斯大学的物理学家Rodolfo Monti在Onset实验中观察到让两个液滴不融合的方法,那就是制造巨大的温差。



这个神奇的现象引起了不少物理学家的兴趣,他们认为,这就是马拉高尼效应作怪。


原来,除了上面讲到的表面张力差(表面张力梯度),温差(温度梯度)也可以促成马拉高尼效应,因为温度越高,表面张力越小。


Monti后来和同事们做了这样一种装置,上面的仪器悬挂着一滴液体,下面是同样液体形成的水平液面。




他们发现,如果温差很大,那么上面这滴液体死活不会和下面的液面融合。


更有趣的是,只要维持这样的温差,哪怕强行把液滴按到下面的液面以下,它也不愿意融合,把自己活活扭成了气球。




但是,如果两个液体的温度完全一致,它们在几毫秒内就会融合。


那么,马拉高尼流是如何阻止液滴合并的呢?


这是因为上下液体之间存在温差,因此上面的液滴和下面的液面中都存在马拉高尼流。而这两股对冲的马拉高尼流搅动周围气体,使液体之间存在一层轻薄无感的气体,正是这层气体阻止了上下液体的合并。这个过程简而言之就是“冷朝热风”。


换成两滴液滴也是一样,两滴温差很大的硅油无法合并——




这个现象在焊接和制造合金时有很大的应用,因为在高温下熔化的金属也会遇到类似的问题。当然,在冬天冰冷的厕所里,大家也能看到带着余温的废液在尿池中最后的倔强。



懂了,高拉自来水来自马拉高。