通过数百次实验，研究人员观察到一个令人费解的简单却深刻的现象：某些情况下，液滴在分子物理作用下的移动就好比是舞蹈演员在进行精心设计的表演一样。这个意外的发现可能有助于半导体制造以及自清洁太阳能电池板。

研究生Nate Cira、Adrien Benusiglio博士后和Manu Prakash助理教授探讨普通食用色素液滴的奇特行为，并设想可能的复杂原因。版权：Linda A. Cicero/斯坦福大学新闻服务（Stanford News Service）

通过数百次实验，研究人员观察到一个令人费解的简单却深刻的现象：某些情况下，液滴在分子物理作用下的移动就好比是舞蹈演员在进行精心设计的表演一样。

“这些液滴感应到对方，他们相互移动、影响，就像是活细胞一样。”生物工程助理教授、《自然》期刊（Nature）论文第一作者Manu Prakash表示。

这个意外的发现可能有助于半导体的制备和太阳能电池板的自清洁，但真正使Prakash兴奋的是多年坚持不懈努力的发现来满足科学好奇心。

2009年，Nate Cira还是威斯康星大学（University of Wisconsin）的一名本科生。该项研究始于当时Nate Cira进行的一项毫不相关的实验。在实验过程中，Cira将几滴食用色素滴加到灭菌玻璃片上，惊讶的发现它们开始移动。

Cira独立重复并研究这个现象两年，直至他成为斯坦福大学的一名研究生。他将这个奇怪的发现告诉Prakash教授。教授很快对这个难题表现出兴趣，并将实验室的Adrien Benusiglio博士后作为第三名成员招收进这个团队。

他们一起花了三年的时间，设计越来越精细的实验来了解食用色素液滴间的相互传感和移动。在活细胞中，这种传感和移动的行为称之为趋化性。

“我们已经发现了液滴能够表现出类似于人工趋化性的行为。”Prakash称。

按照《自然》（Nature）论文的解释，关键的事实是，食用色素是一种双组分流体。这样的流体中，两种不同的化学成分共存，但仍然保留独立的分子结构——液体球图像。

实验中液滴由食用色素中天然发现的两种简单的分子化合物组成——水和丙二醇。

研究人员发现了这两种分子成分的动态相互作用是如何使得无生命的液滴模仿活细胞的某些无生命行为的。

表面张力和蒸发

基本上来说，液滴的跳跃是由于表面能和蒸发之间的微妙平衡造成的。

蒸发很容易理解。任何液体表面的一些分子会转化为气体飘走。

表面张力是液体卷成球状的原因，它使得液体中的分子牢牢的结合在一起。

水的蒸发比丙二醇更快，且水具有更高的表面张力。这些差异在液滴内部产生龙卷风状的气流，使得液滴移动并能与临近的液体发生传感。

为了弄明白有关图像的分子力，收缩到一定尺寸并潜入小液滴内部。

在那里，水和丙二醇分子试图保持均匀的分布，但蒸发和表面张力的不同制造了液滴的骚动。

在每个液滴的圆顶部位，水分子比临近的丙二醇更快转变成气体飘走。

在圆顶的下薄边，蒸发更容易发生，使得这个地方的丙二醇过量。与此同时，圆顶的顶端水的浓度更高。

顶部的水具有更高的表面张力，紧紧拉住液滴而不摊平。这在液滴内部引起分子旋转运动。因此说表面张力是获得液滴成球状的原因。

蒸发决定了运动的方向。每个液滴发出水的气体分子，就像披露任何给定液滴确切位置的径向信号。液滴汇集在信号最强的地方。

所以，蒸发提供了传感机制，表面张力将跳动的液滴拉在一起，眼镜看来就像是一场美妙的舞蹈。

双组分流体规律

研究人员尝试试验不同比例的水和丙二醇。含有1%丙二醇、99%水的液滴与含有2/3丙二醇、1/3水的液滴表现出几乎相同的行为。

基于这些实验，论文描述了一种由传感和运动表示的“普适性规律”来识别任何双组分流体。

在混合物中添加颜色，可更方便的讲述不同浓度液滴的行为，并产生惊人的视觉效果。（参见video）

在其中一个实验中，含有更多丙二醇的液滴似乎能抓住更多的水。事实上呢，含有更多水的液滴表现出更高的表面张力，拉住丙二醇液滴的边缘。

在另一个实验中，研究人员演示了整齐排列的液滴的物理分离，通过极其微弱的蒸发信号打破其对称性并最终会聚成一点。

第三个实验中，他们使用Sharpie钢笔在载玻片上画一些黑线。线改变了玻璃片的表面，并制造了一系列的水池。他们用不同浓度的液体将水池填满，以制造一个自我分类机制。液滴从一个水池弹到另一个水池，直至感应到匹配它们浓度的流体，并融入进去。

结果

由好奇心驱动的研究，也可能产生许多实际的影响。

双组分流体的深刻物理解释使得研究人员可以预测流体和表面将表现出的不同寻常的现象。这种现象存在于大量的常见表面，能被一系列化合物重现。

在其他潜在应用方面，他们计划将这种机制应用于半导体芯片和制造自清洁太阳能电池板，寻找清洁玻璃和硅表面的更好方法——解决大规模太阳能应用中的突出问题。

新材料在线编译整理—— 翻译：菠菜