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馬拉高尼流是如何阻止液滴合并的？
來源：把科學帶回家 作者：萬物 瀏覽 1542 次 發(fā)布時間:2022-07-25
俗話說，水往低處流。可是14年前，有人發(fā)現(xiàn)了水可以逆流而上。不信，大家看這里——
紫色的顆粒沿著水流向上爬升
看到木有，水面的粉末隨著逆行的水流回到了上方的容器里?？梢?，這很信條。
所以，這水是看了諾蘭新片了嗎？倒不是，這個現(xiàn)象是在2008年金融危機爆炸那年被一個叫做S.Bianchini的物理系少年發(fā)現(xiàn)的，距今已有14年。
阿根廷的傳統(tǒng)馬黛茶
當時，來自阿根廷的Bianchini正在泡阿根廷的傳統(tǒng)馬黛茶，馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子制作的，茶葉是粉末狀的。當他倒水的時候，猛地發(fā)現(xiàn)茶葉竟然倒行逆施，自動飄到了茶壺里。
倒水時，如果壺嘴和下方液面距離很近，茶葉就會逆流而上，來到水壺里。
Bianchini的導師也沒見過這種操作，于是后來Bianchini同學用這個做了畢業(yè)論文，然后順利畢業(yè)了。
在論文中，他用馬黛茶葉還有粉筆末在實驗條件下重復了上述現(xiàn)象。Bianchini認為，這個現(xiàn)象并不是咱們在生活中常見的毛細現(xiàn)象導致的，而是由于馬拉高尼效應。
馬拉高尼效應咱們以前也講過，表面張力不同的液體之間形成水流。咱們平時看到的酒杯掛壁，還有風油精小船都是馬拉高尼效應導致的。
馬拉高尼效應還可以用來讓液滴自動解迷宮，超有趣的，回顧點這里。
Bianchini通過實驗發(fā)現(xiàn)，馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表面張力，因此上游的水表面張力大，下游的水表面張力小。而表面張力大的地方可以把表面張力小的地方的液體吸過去，形成馬拉高尼流，所以水才可以倒流。
這個反直覺的物理現(xiàn)象說明，上游的水不一定比下游的干凈，因為下游可以反過來污染上游。因此后來這個現(xiàn)象就被取名為逆流污染（upstream contamination）。
過了幾年，羅格斯大學的工程學教授Troy Shinbrot對這個現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣，于是找了個學生和Bianchini用更復雜的實驗再次驗證了一番，并把結(jié)果發(fā)表在了2013年的Proceedings of the Royal Society A上。
Shinbrot他們用馬黛茶葉還有粉筆末發(fā)現(xiàn)，逆流污染現(xiàn)象確實存在，液體可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水處寬度達到幾米，這個現(xiàn)象依舊存在，冷水和滾水同樣會出現(xiàn)逆流污染。
逆流污染
Shinbrot他們也再次驗證了表面張力在逆流污染中的作用。經(jīng)過測量，他們發(fā)現(xiàn)加了粉筆末以后，水的表面張力減小至原來的一半，加了茶葉以后減小至原來的1/3。
經(jīng)過計算，加入粉筆末后，減少的表面張力可以給漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度，推動它逆流而上。
逆流污染
那么問題來了，如果這個現(xiàn)象真的是表面張力差導致的，那么消除上游和下游的表面張力差，水是不是就無法倒流了呢？
他們也測試了一下。他們在上游的水中加入了表面活性劑苯扎氯銨，減少上游的表面張力。果然，這么干了之后水就不會倒流了。
實際上，2002年麻省理工學院（MIT）的應用數(shù)學教授John W M Bush和同事也發(fā)現(xiàn)，如果在下方水池里加入表面活性劑，那么下方的水能夠沿著瀑布倒流，逆行的高度最高可達到2厘米。
了解了這個現(xiàn)象后，相信各位弟弟都不敢在小便池里近距離滋尿了。
當然對于要做實驗的研究者還有制藥企業(yè)來說，這個現(xiàn)象還是很煩人的，這意味著用滴管的時候，下面的物質(zhì)可能反過來污染滴管里的液體。
你以為馬拉高尼效應可以讓水流逆行已經(jīng)很秀了么？在1992年，科學家們還注意到馬拉高尼效應的另一個反常識的神奇技能。
咱們知道，水滴落到杯子里，會和杯子里的水融合在一起，這在物理學上叫做合并（coalesce）。
我們之前介紹過，通過振動液面，可以讓液滴長時間不合并（點我看）。
那年，國際航天任務Spacelab mission D2的宇航員以及意大利那不勒斯大學的物理學家Rodolfo Monti在Onset實驗中觀察到讓兩個液滴不融合的方法，那就是制造巨大的溫差。
這個神奇的現(xiàn)象引起了不少物理學家的興趣，他們認為，這就是馬拉高尼效應作怪。
原來，除了上面講到的表面張力差（表面張力梯度），溫差（溫度梯度）也可以促成馬拉高尼效應，因為溫度越高，表面張力越小。
Monti后來和同事們做了這樣一種裝置，上面的儀器懸掛著一滴液體，下面是同樣液體形成的水平液面。
他們發(fā)現(xiàn)，如果溫差很大，那么上面這滴液體死活不會和下面的液面融合。
更有趣的是，只要維持這樣的溫差，哪怕強行把液滴按到下面的液面以下，它也不愿意融合，把自己活活扭成了氣球。
但是，如果兩個液體的溫度完全一致，它們在幾毫秒內(nèi)就會融合。
那么，馬拉高尼流是如何阻止液滴合并的呢？
這是因為上下液體之間存在溫差，因此上面的液滴和下面的液面中都存在馬拉高尼流。而這兩股對沖的馬拉高尼流攪動周圍氣體，使液體之間存在一層輕薄無感的氣體，正是這層氣體阻止了上下液體的合并。這個過程簡而言之就是“冷朝熱風”。
換成兩滴液滴也是一樣，兩滴溫差很大的硅油無法合并——
這個現(xiàn)象在焊接和制造合金時有很大的應用，因為在高溫下熔化的金屬也會遇到類似的問題。當然，在冬天冰冷的廁所里，大家也能看到帶著余溫的廢液在尿池中最后的倔強。
懂了，高拉自來水來自馬拉高。