水滴行走

夏　娟

我們知道，在某些情況下，水滴的融合不是在瞬間完成的。瀑布腳下，水滴可以持續(xù)漂浮數(shù)秒；一滴咖啡可以輕輕地漂浮在一杯熱咖啡上面：在太空中，宇航員同樣也觀察到了兩顆相撞的水滴在失重的情況下像兩個臺球一樣彈來跳去而不會融合。

水滴在液體表面通過連續(xù)跳躍而前進(jìn)，每次彈起后仿佛都面臨著被吞噬的危險，是什么奇跡使這些針頭般大小的水滴在水面上移動而不與水體融合呢?難道它們之間密度的差異拯救了這些頑皮精靈，就像油珠在一鍋水上漂浮那樣?可是，構(gòu)成這些跳躍水滴的物質(zhì)與下面這些水體的物質(zhì)完全相同。實在太不可思議了!

那么它們不下沉的原因究竟為何?答案是研究小組通過油浴實驗找到的。硅油因其品質(zhì)尤其是純度較高而非常適合這種實驗。但是，研究人員在試驗中觀察到，當(dāng)水滴體積很小時，它與水體之間也產(chǎn)生了同樣的現(xiàn)象。

成真的假說

一切開始于一次物理實驗課。原本老師安排學(xué)生設(shè)計一個簡單實驗來限制液體之間的融合現(xiàn)象，即限制一個液滴和與之成分相同液體之間相融合的現(xiàn)象。最初提出只是一個空頭的假說，不過這一假說隨著研究的深入，在實驗室里具有了真正的現(xiàn)實意義。

液滴可以在液體表面上移動而不被融合，在所有情況下，都是因為有一層空氣持續(xù)聚集在液滴的周圍，阻止兩者的融合。瀑布腳下，水滴在水面上可以持續(xù)漂浮數(shù)秒。對瀑布來說，是翻騰的水帶動周圍的空氣，并且反復(fù)形成空氣層。而對于一滴冷咖啡可以輕輕地漂浮在一杯熱咖啡上面，是因為那一滴冷咖啡和一杯咖啡之間溫差而產(chǎn)生的。

經(jīng)驗表明，把一滴水滴入盛水容器時，你會看到水面被擊中后，水滴會在一剎那間持續(xù)存在。我們知道在下落的水滴和水面之間存在一個空氣夾層。即便在正常情況下，水滴也不會馬上與水面融合。水滴和水面之間的空氣層阻止了它們的融合。在水滴持續(xù)存在的這段時間內(nèi)，隔開它們百分之幾毫米的薄薄空氣層會逃逸。接著，水滴和水面接觸并迅速融合。換句話說，只要維持空氣層的存在就可以阻止它們之間的融合。那么怎樣做到呢?我們可以從液體振動實驗中找答案。如果我們使液體以某一頻率振蕩，當(dāng)它下降時的加速度大于重力加速度，液滴就會離開液面，中間重新生成空氣層。在液體下降的過程中，液滴的角色和飛機做拋物線飛行中進(jìn)行失重訓(xùn)練的宇航員一樣。由于支持液滴的液體跌落得比液滴本身要快，于是液滴懸浮在空中。

液面上升時，空氣沒有時間逸散，于是液滴乘坐在氣墊上，這個氣墊阻止了它被液體致命地“吻”到。這就像某種意義上的微型滑艇。但是這一液體支撐現(xiàn)象卻不能解釋為什么水滴會以連續(xù)跳躍的驚人方式前進(jìn)。因為如果跳躍僅由最初的輕彈引起，力量會逐漸減弱。

看不見的“球拍”

然而，水滴卻不停地運動，而且僅朝著實驗器具內(nèi)壁接觸的方向。這種運動的奇特動力是什么呢7似乎沒有什么振動的機械原理或者水滴內(nèi)部的其他什么力能解釋這種跳躍現(xiàn)象。事實上，一切的發(fā)生就像是有著一個看不見的“球拍”，在每次回彈時拍打這些水滴，而且總是朝一個方向。

荒唐的理論?不，事實的確如此。每次水滴擊打液面，引起波紋，像石頭扔進(jìn)水中形成的波紋一樣。開始時，水波的中心是波浪下凹處，它馬上會因慣性而重新上升。如果水滴恰好降落在中心旁邊《一個微小的不平衡就會造成這種狀況》，它就會被送到偏離的方向去。總而言之，似乎在拍打水滴的神秘“球拍”不過是水滴自身引起的小波浪。當(dāng)水滴落在水波中心的旁邊時，它與波浪的斜面碰撞，然后重新從旁邊起跳，在這個起跳點又激起新的波紋，并再生出其他的波紋，重新起跳，再接著跳下去。

水滴的行進(jìn)，只是在波浪上的一系列同步彈跳嗎?這個解釋也不能完全令人滿意，因為我們忘記了振幅減小的問題。如同石塊投入水中，激起的波紋最后擴散，逐漸減弱一樣，水滴激起的波紋也迅速消失。所以動力失去后，水滴照理也應(yīng)該停止運動。但情況并非如此，換個說法，總是由接下來的第二個現(xiàn)象來接替，使這個運動持續(xù)下去。

這種波叫法拉第波，是19世紀(jì)英國大物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)的。只要讓液體發(fā)生快速振動，波紋就在液體表面出現(xiàn)，假如你盛一碗水或者油放置在發(fā)動的汽車引擎蓋上，我們即可觀察這個現(xiàn)象。

這一現(xiàn)象的產(chǎn)生有雙重成因一是地心引力，二是表面張力。這些位于液體表面分子間的引力，清楚地解釋了為什么在一只玻璃杯里，貼近杯壁的水面呈略向上彎曲狀。法拉第波助了水滴一臂之力。根據(jù)經(jīng)驗，研究人員選擇使液體的振蕩強度略低于它產(chǎn)生波紋的極限。水滴的攪擾足以產(chǎn)生強勁的波紋，而它便可以在水面上歡呼雀躍。因此，只要我們維持振動，水滴的運動就會持續(xù)下去。

研究仍在繼續(xù)

那么還有一個問題，就是這個過程應(yīng)該會引發(fā)混亂。因為，沒有任何理由使水滴老老實實地朝同一方向，以同一速度跳躍。邏輯上講，它們應(yīng)該朝任意方向前進(jìn)。就像醉漢一樣。事實上，完全不是這樣。當(dāng)法拉第波出現(xiàn)時，水滴的跳動為保持一致而和它們同步。也就是說水滴總是在它們造成的波紋處起跳。從那時起，看不見的“球拍”有條不紊地朝一個方向，每次都以相同的力拍打起跳的水滴。結(jié)果，這些水滴以恒定不變的速度沉著前進(jìn)。一個如此奇妙的機械過程，但要從理論上獲得解釋卻顯得有些棘手。事實上，這是一個很穩(wěn)定的機械過程，一切都自動地同步起來。

觀察單獨行走的一滴液體，顯然引發(fā)了研究者們極大興趣，他們想在油浴上面放置數(shù)顆液滴，就像玩臺球似的，液滴會一個接一個地彈跳還是會融合呢?事實上，如果說有一些液滴由于相互碰撞而分散得很開，那么也有其他的液滴會相融合，一起轉(zhuǎn)圈!這個從未見過的現(xiàn)象，其解釋卻十分簡單。一旦某顆液滴接近另一顆，它會碰撞伴隨它的小波浪。如果液滴下落在波浪的外側(cè)，它就會被這一碰撞再次推動。但是如果在內(nèi)側(cè)，它就會被波浪吸引。兩顆液滴理論上會融合，然而由于它們自身的速度，他們就像想要咬自己尾巴的狗似的，被迫一個圍著另一個打轉(zhuǎn)，不停地互相追逐，如同我們所看到的同步軌道運動，即雙星運動一樣。

根據(jù)“行走”的水滴現(xiàn)象科學(xué)家認(rèn)為消除水滴和液體融合是可能的。他們的經(jīng)驗會影響到物理學(xué)的其他領(lǐng)域嗎?行走的水滴，是否會給其他還在昏暗中摸索的學(xué)科帶來光明?我們知道，在固體物理學(xué)中有一個著名現(xiàn)象，即激發(fā)晶體振蕩的電子運動現(xiàn)象，其中有類似的問題需要深入研究。

誕生液懸技術(shù)

比利時列日大學(xué)的工作人員利用油浴振動來研究水滴的連續(xù)跳躍。當(dāng)油以110赫茲的頻率振動時，會釋放直徑達(dá)1毫米的高黏度油的液滴。這些液滴迅速彈跳起來，并在油浴表面四處漂浮滾動。說是漂浮，因為液滴根本不會沾到油浴表面。兩者之間的距離約為150毫微米～1.5厘米。之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一開始液滴跳離后又返回液面，是因為液滴在不停地將底下的空氣推開，如此，它就能順利地滾落到液面，并與液面融合。但是，當(dāng)油浴振動達(dá)到一定的頻率時，液體表面會出現(xiàn)一層氣體共振層，這種氣體共振層很難被推開。此時，液滴就像坐了氣墊船，能彈跳起來并來回滾動。

研究小組成員史蒂芬說：“我們第一次在這種系統(tǒng)中觀察到自發(fā)的滾轉(zhuǎn)運動”。產(chǎn)生懸浮現(xiàn)象的最佳狀態(tài)就是油浴的黏度高于液滴。如此一未，當(dāng)研究員將氣墊置于油面上方時，油面就不會出現(xiàn)由液滴彈跳引起的波紋。

此外，該研究小組試驗將水滴置于油面之上，此舉達(dá)到了類似結(jié)果。研究小組成員基萊說：“這是一種傳送液滴的好辦法”。他指出，其他的液體，例如汗水。眼淚或可溶于水的化學(xué)試劑，也能達(dá)到同樣的效果。甚至，我們可以將彈跳液滴與包含實驗室試劑的液滴相碰撞。舉例來說，可以把其他液滴加到包含酸或染料實驗用的液體中去。它們會一起進(jìn)行彈跳運動直至凝聚在一起。在這種新的大彈跳液滴中，我們可以觀察到發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。平時，我們在處理微小樣本時，通常會使用刻有小凹槽的微流薄片。但是，薄片的清理工作就不那么容易了。同時，在實驗正式開始前，我們也很難保證樣本不會混合在一起。而這種彈跳液滴就提供了一種迂回解決該難題的方法。

將來，在處理大量微細(xì)液體時，這種技術(shù)就會發(fā)揮其作用。舉例來說，在生命科學(xué)實驗中，必須解決的一個問題就是避免出現(xiàn)液體沾污的問題。相應(yīng)地，這種技術(shù)就能解決液體污染的問題。然而，目前這種彈跳懸浮技術(shù)還不是很理想。未來研究可能包括漂浮的多層液滴，水將油層包圍在中間。將來，這種液滴懸浮技術(shù)能更好地運用到科學(xué)技術(shù)中。