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(gè)臺(tái)球一樣彈來(lái)跳去而不會(huì)融合。

水滴在液體表面通過(guò)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(xiǎn)，是什么奇跡使這些針頭般大小的水滴在水面上移動(dòng)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(shí)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(guò)油浴實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。但是，研究人員在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)水滴體積很小時(shí)，它與水體之間也產(chǎn)生了同樣的現(xiàn)象。

成真的假說(shuō)

一切開始于一次物理實(shí)驗(yàn)課。原本老師安排學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)限制液體之間的融合現(xiàn)象，即限制一個(gè)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(gè)空頭的假說(shuō)，不過(guò)這一假說(shuō)隨著研究的深入，在實(shí)驗(yàn)室里具有了真正的現(xiàn)實(shí)意義。

液滴可以在液體表面上移動(dòng)而不被融合，在所有情況下，都是因?yàn)橛幸粚涌諝獬掷m(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(duì)瀑布來(lái)說(shuō)，是翻騰的水帶動(dòng)周圍的空氣，并且反復(fù)形成空氣層。而對(duì)于一滴冷咖啡可以輕輕地漂浮在一杯熱咖啡上面，是因?yàn)槟且坏卫淇Х群鸵槐Х戎g溫差而產(chǎn)生的。

經(jīng)驗(yàn)表明，把一滴水滴入盛水容器時(shí)，你會(huì)看到水面被擊中后，水滴會(huì)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(gè)空氣夾層。即便在正常情況下，水滴也不會(huì)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(shí)間內(nèi)，隔開它們百分之幾毫米的薄薄空氣層會(huì)逃逸。接著，水滴和水面接觸并迅速融合。換句話說(shuō)，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(dòng)實(shí)驗(yàn)中找答案。如果我們使液體以某一頻率振蕩，當(dāng)它下降時(shí)的加速度大于重力加速度，液滴就會(huì)離開液面，中間重新生成空氣層。在液體下降的過(guò)程中，液滴的角色和飛機(jī)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(shí)，空氣沒(méi)有時(shí)間逸散，于是液滴乘坐在氣墊上，這個(gè)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(huì)以連續(xù)跳躍的驚人方式前進(jìn)。因?yàn)槿绻S僅由最初的輕彈引起，力量會(huì)逐漸減弱。

看不見的“球拍”

然而，水滴卻不停地運(yùn)動(dòng)，而且僅朝著實(shí)驗(yàn)器具內(nèi)壁接觸的方向。這種運(yùn)動(dòng)的奇特動(dòng)力是什么呢7似乎沒(méi)有什么振動(dòng)的機(jī)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(shí)上，一切的發(fā)生就像是有著一個(gè)看不見的“球拍”，在每次回彈時(shí)拍打這些水滴，而且總是朝一個(gè)方向。

荒唐的理論?不，事實(shí)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(shí)，水波的中心是波浪下凹處，它馬上會(huì)因慣性而重新上升。如果水滴恰好降落在中心旁邊《一個(gè)微小的不平衡就會(huì)造成這種狀況》，它就會(huì)被送到偏離的方向去?？偠灾?，似乎在拍打水滴的神秘“球拍”不過(guò)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(shí)，它與波浪的斜面碰撞，然后重新從旁邊起跳，在這個(gè)起跳點(diǎn)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(gè)解釋也不能完全令人滿意，因?yàn)槲覀兺浟苏穹鶞p小的問(wèn)題。如同石塊投入水中，激起的波紋最后擴(kuò)散，逐漸減弱一樣，水滴激起的波紋也迅速消失。所以動(dòng)力失去后，水滴照理也應(yīng)該停止運(yùn)動(dòng)。但情況并非如此，換個(gè)說(shuō)法，總是由接下來(lái)的第二個(gè)現(xiàn)象來(lái)接替，使這個(gè)運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去。

這種波叫法拉第波，是19世紀(jì)英國(guó)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(dòng)，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(dòng)的汽車引擎蓋上，我們即可觀察這個(gè)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(yàn)，研究人員選擇使液體的振蕩強(qiáng)度略低于它產(chǎn)生波紋的極限。水滴的攪擾足以產(chǎn)生強(qiáng)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(dòng)，水滴的運(yùn)動(dòng)就會(huì)持續(xù)下去。

研究仍在繼續(xù)

那么還有一個(gè)問(wèn)題，就是這個(gè)過(guò)程應(yīng)該會(huì)引發(fā)混亂。因?yàn)椋瑳](méi)有任何理由使水滴老老實(shí)實(shí)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(shí)上，完全不是這樣。當(dāng)法拉第波出現(xiàn)時(shí)，水滴的跳動(dòng)為保持一致而和它們同步。也就是說(shuō)水滴總是在它們?cè)斐傻牟y處起跳。從那時(shí)起，看不見的“球拍”有條不紊地朝一個(gè)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(gè)如此奇妙的機(jī)械過(guò)程，但要從理論上獲得解釋卻顯得有些棘手。事實(shí)上，這是一個(gè)很穩(wěn)定的機(jī)械過(guò)程，一切都自動(dòng)地同步起來(lái)。

觀察單獨(dú)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(tái)球似的，液滴會(huì)一個(gè)接一個(gè)地彈跳還是會(huì)融合呢?事實(shí)上，如果說(shuō)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(huì)相融合，一起轉(zhuǎn)圈!這個(gè)從未見過(guò)的現(xiàn)象，其解釋卻十分簡(jiǎn)單。一旦某顆液滴接近另一顆，它會(huì)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(huì)被這一碰撞再次推動(dòng)。但是如果在內(nèi)側(cè)，它就會(huì)被波浪吸引。兩顆液滴理論上會(huì)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(gè)圍著另一個(gè)打轉(zhuǎn)，不停地互相追逐，如同我們所看到的同步軌道運(yùn)動(dòng)，即雙星運(yùn)動(dòng)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(yàn)會(huì)影響到物理學(xué)的其他領(lǐng)域嗎?行走的水滴，是否會(huì)給其他還在昏暗中摸索的學(xué)科帶來(lái)光明?我們知道，在固體物理學(xué)中有一個(gè)著名現(xiàn)象，即激發(fā)晶體振蕩的電子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，其中有類似的問(wèn)題需要深入研究。

誕生液懸技術(shù)

比利時(shí)列日大學(xué)的工作人員利用油浴振動(dòng)來(lái)研究水滴的連續(xù)跳躍。當(dāng)油以110赫茲的頻率振動(dòng)時(shí)，會(huì)釋放直徑達(dá)1毫米的高黏度油的液滴。這些液滴迅速?gòu)椞饋?lái)，并在油浴表面四處漂浮滾動(dòng)。說(shuō)是漂浮，因?yàn)橐旱胃静粫?huì)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(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一開始液滴跳離后又返回液面，是因?yàn)橐旱卧诓煌５貙⒌紫碌目諝馔崎_，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(dòng)達(dá)到一定的頻率時(shí)，液體表面會(huì)出現(xiàn)一層氣體共振層，這種氣體共振層很難被推開。此時(shí)，液滴就像坐了氣墊船，能彈跳起來(lái)并來(lái)回滾動(dòng)。

研究小組成員史蒂芬說(shuō)：“我們第一次在這種系統(tǒng)中觀察到自發(fā)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”。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(shí)，油面就不會(huì)出現(xiàn)由液滴彈跳引起的波紋。

此外，該研究小組試驗(yàn)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(shuō)：“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(shí)驗(yàn)室試劑的液滴相碰撞。舉例來(lái)說(shuō)，可以把其他液滴加到包含酸或染料實(shí)驗(yàn)用的液體中去。它們會(huì)一起進(jìn)行彈跳運(yùn)動(dòng)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(shí)，我們?cè)谔幚砦⑿颖緯r(shí)，通常會(huì)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(shí)，在實(shí)驗(yàn)正式開始前，我們也很難保證樣本不會(huì)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(lái)，在處理大量微細(xì)液體時(shí)，這種技術(shù)就會(huì)發(fā)揮其作用。舉例來(lái)說(shuō)，在生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，必須解決的一個(gè)問(wèn)題就是避免出現(xiàn)液體沾污的問(wèn)題。相應(yīng)地，這種技術(shù)就能解決液體污染的問(wèn)題。然而，目前這種彈跳懸浮技術(shù)還不是很理想。未來(lái)研究可能包括漂浮的多層液滴，水將油層包圍在中間。將來(lái)，這種液滴懸浮技術(shù)能更好地運(yùn)用到科學(xué)技術(shù)中。