這些小液滴，被科學家玩出了「花」_風聞

水滴，已經快要被玩壞了。

在大劉的《三體》小説裏，水滴代表了高科技。

要説實際一點的用法，利用**水滴，**我們可以拍攝一段動畫廣告。

雖然水滴是自由落體運動，快速下落的，但是配合頻閃燈光和水滴落下的時間，我們就能只讓我們想要的液滴出現，從而呈現連續的動畫了

科學家們關於液滴也研究了很多，比如往水裏面滴入一滴液體以後，濺起的液體裏面到底包含多少原來液體的成分？兩種液體是怎麼混合的？

液滴與一個完整的液體互相混合的過程，我們可以看到各個部分液體是怎麼組成的

儘管水滴身上的聚集着人們很多的目光，但在它們身上，科學家們還是玩出了不一樣的**「花」**。

圖片來自 @percolategalactic

會走迷宮的液滴

Droplets in maze

現在人工智能發展地越來越快，造出來一個能夠走迷宮的機器早就不算什麼新鮮的內容了。比如著名的 DeepMind 公司就曾經開發過一個在迷宮中能夠執行搜索任務的 AI，通過觀察屏幕上出現的像素，來預測和決定自己下一步的動作。

DeepMind 開發的非監督輔助任務中的強化學習模型，AI 在迷宮中執行搜索任務，上圖顯示了其如何獲取數據並進行分析，最終轉化為估值函數

控制液滴來走迷宮這件事情其實也有很多物理學家幹過，利用萊頓弗羅斯特現象，當液體接觸到遠超出沸點的表面時，液體的表面會在高温的作用下迅速汽化形成一層有隔熱作用的蒸汽，從而令液體沸騰的速度大大減慢。如果我們把高温的表面做成有一定傾斜角的鋸齒狀的話，那蒸汽就會推動液體向前移動了。

萊頓弗羅斯特現象，在往高温，遠超出液體沸點的表面上滴液滴時，液滴並不是像我們想象的快速蒸發掉，而是會在表面和液滴之間形成一層薄膜從而阻止其蒸發。如果表面並不平整，那麼這層空氣薄膜還會推動液滴運動

只要設計好特定的傾斜角度和路線，我們就可以讓液滴沿着任意的軌跡前進。

通過在不同的地方放置不同方向的斜面，在上述效應的作用下液滴就會定向運動了

當然，這樣走迷宮確實有點作弊，我們相當於已經提前告訴液滴該怎麼走了。那有沒有什麼不作弊的方法呢？物理學家其實研究過利用濃度來驅動液滴移動。

他們研究的不再是水滴，而是研究了癸醇液滴在覆蓋有癸酸鈉水溶液玻璃表面的運動。[1] 不同的 NaCl 濃度梯度驅動着液滴往不同的方向移動。而且，這個過程還是可逆的。在不同的地方放置 NaCl，癸醇液滴就可以在玻璃板上來回的移動。這個現象其實和在紙船背後放上一個肥皂，在表面張力的作用下紙船會前進的現象有點類似。

上圖為實驗示意圖，在不同時刻不同位置放置 NaCl ，癸醇液滴始終會發生運動，這個運動過程是可逆的。圖片修改自 Langmuir, 2014, 30 (40), pp 11937–11944

物理學家們對這一過程研究地十分全面，評估了產生這個運動所需要的時間和遷移速度，以及其餘癸酸鈉溶液濃度和 NaCl 濃度梯度的函數關係。 這個關係不僅僅在上面展示的直直的玻璃板上起作用，在十分複雜的環境中，癸醇同樣可以沿着形成的濃度梯度遷移。

在 NaCl 梯度的作用下，癸醇液滴沿着正確的方向通過迷宮，走向終點。圖片截取自作者論文 Langmuir, 2014, 30 (40), pp 11937–11944 的補充材料

假如我們在迷宮的出口處放上 NaCl，那麼在迷宮內會自然地建立一個完整的單向的濃度梯度，從起點指向終點。對於那些錯誤的道路，因為內部封閉，所以濃度一定比正確的道路的濃度低，從而液滴不會沿着錯誤的道路前進。從最後結果來看，液滴一路小跑奔向了重點，就像它已經預知了迷宮的正確路徑一樣。

這種反應其實也有很多實際的意義，比如跨越複雜的環境定向攜帶和釋放化學物質，實現對於濃度梯度的選擇性，或者用於液體分類等。

怎麼玩出「花」

Flowers

利用聲波可以控制水流的方向

從牛頓時代開始，人們就認識到聲音是一種波，由空氣的疏密變化導致的。牛頓當時還建立了模型計算得到聲速為 298 m/s，比起現代的實測值小了 15% 左右。如果聲音在空氣中傳播形成駐波，聲場中的壓強對液滴施加的壓力與液滴之間的重力存在力平衡，從而可以懸浮在空中。在一些情況中，在聲場和液體表面張力的雙重作用下，液體會形成圓盤一樣扁扁的形狀，而不是一個圓圓的球。

在聲場的作用下，液體變成了一個圓盤 [2]

靜止的情況下是這樣的，但是如果我們再週期性的改變聲場的場強，也就是聲波的大小，則可能會破壞這種圓盤的形狀。此時會在圓盤的最外緣形成週期性的波浪，這個波浪沿着圓盤邊緣傳播，從視覺上來看，液滴變成了星形，有突出的地方。

在振動的過程中可以看到明顯的波峯和波谷，因為其具有兩重旋轉對稱性，我們將其標記為 2nd Harmonic（第二簡諧模式）[2]

因為產生的波實際上要滿足週期性的條件，也就是轉一圈以後這個波是回到原位，所以這個波也是駐波，我們可以清晰地看到波節和波腹，也就是最肥宅最懶得動的地方和最活潑好動的地方。這種星型有很多種模式，通過計算我們可以知道特定的振動頻率和振動的波形，液體表面張力，液體密度和圓盤的半徑之間的關係。

圓盤邊緣振動的本徵頻率公式

從公式中，我們可以看到 n 的取值其實比較隨意，在我們儀器允許的調節範圍內，我們可以得到豐富的圖案。

第 3 簡諧振動模式，振動具有三重旋轉自由度，每轉過 120 度圖案和原來的圖案重合。[2]

第 5 簡諧振動模式，振動具有五重旋轉自由度，每轉過 72度圖案和原來的圖案重合。實際上在參考鏈接 [2] 中作者給出了更為豐富的比如四重對稱，六重對稱以及更高階的振動圖樣，甚至非線性振動的圖樣。

高射炮打液滴

Is it wasted？

所謂的高射炮打蚊子——大材小用，就比如我們製造出了一個超疏水的材料，它永遠都不會被打濕，然後我們把這種材料做成一把刀用它來切水……

大家都知道一段歇後語，高射炮打蚊子——大材小用，但是對於那些「無聊」的物理學家們來説，拿高射炮打蚊子其實還是一件很有趣的事情。這個故事發生在 2016 年，我先來解釋一下這個「大炮」是什麼。運動的電荷會產生電流，而電流會在周圍產生電磁場，而變化的電流則會產生電磁場，從而輻射出電磁波。當輻射出的電磁波的能量高到一定程度，就是我們説的 X 射線了。而位於美國斯坦福大學的直線加速器相干光源 LCLS（Linac Coherent Light Source）——世界上第一台硬 X 射線（能量更高的 X 射線）自由電子激光器[3]，正是我們手裏的「大炮」。

看起來很像一把鑰匙的 LCLS 裝置，科學家利用高能的 X 射線穿透材料，探測和測量材料的各項屬性

而那個可憐的蚊子，是隻有 40μm 大小的水滴，我們一根頭髮的直徑都有 100μm。[4]

利用多次重複拍攝得到的液滴被 X 射線照射以後的動力學過程. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

由於激光脈衝擁有巨大的能量，瞬間就可以把水滴蒸發。蒸發以後的水蒸氣推動着周圍的水滴逐漸崩潰。其實上面這張動圖的拍攝也頗為不易。實際上，上面這個過程是實驗人員重複做了上百次的實驗，真是可憐這些「蚊子」了，被打爆打爆不斷地打爆。在打爆的過程中，需要先使用不同延遲的超快激光來照亮液滴，再用高分辨率的顯微鏡照個相。每次的過程都只能拍一張照，最後將所有的照片放在一起才合成出來的完整的視頻。[5]

利用多次重複拍攝得到的連續的水流被 X 射線照射以後的動力學過程. 由於高温水蒸氣的推動, 我們看到液體在圖中變成了傘狀. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

當然，物理學家們射「蚊子」並不是為了好玩，而是因為如果我們有其他樣品需要接受這台機器 X 射線的照射的話，一般都是用液體作為載體。把整個液體的過程研究清楚了，研究人員才能夠更進一步地控制實驗條件，打爆更多的蚊子。

其實……

Finally

把熔融的金屬液滴丟到水裏面也挺好看的