Paul Sparks
0 
4681
935
En enkelt dråbe opløsningsmiddel hvirvler som en lille danser ovenpå et bæger af vand, og gradvis sprænger de små runde stykker af sig selv indtil der ikke er noget tilbage. Nogle, der så det, mente, at det så ud som en roterende galakse eller verdens mindste orkan. Alle, der så det, spekulerede på, hvad pokker foregik - og det inkluderer forskerne, der gennemførte eksperimentet i 2011.
Den magiske dråbe opløsningsmiddelstjerner i en GIF kaldet "En dråbe dichlormethan på vand, der spiraler ud af eksistensen, når det fordamper," blev sendt torsdag (11. januar) til Reddits forum for r / kemikaliereaktion. På trods af sin nyvundne berømmelse (mere end 20 tusind upvotes inden for de første 24 timer) stammede GIF fra et papir fra 2011, der blev offentliggjort i det tyske kimitidsskrift Angewandte Chemie.
Papirets afhandling var enkel: Når du frigiver en dråbe dichlormethan (DCM) opløsningsmiddel i et bægerglas med sæbevand, ser det virkelig, virkelig cool ud. [Album: Prisvindende fotos taget gennem et mikroskop]
“Dette er et meget let eksperiment og et meget kompliceret fænomen,” sagde Oliver Steinbock, professor i kemi ved Florida State University og seniorforfatteren til undersøgelsen. ”Vi var meget overrasket over det - og det er vi stadig.”
For at opstille eksperimentet fyldte Steinbock og hans medforskere adskillige bægerglas med forskellige koncentrationer vand og et fælles desinfektionsmiddel til laboratoriet kaldet CTAB. Ved hjælp af en pipette tilføjede de en enkelt dråbe DCM - en farveløs væske, som undertiden blev brugt som affedtningsmiddel - til hvert bægerglas, og filmet resultaterne. Hver forsøg tog ca. 20-30 sekunder i alt og var synlig med det blotte øje.
Så hvad sker der her?
Hver dråbe DCM, som har et relativt lavt kogepunkt, begyndte at fordampe, så snart den forlod pipetten. Men overraskelserne begyndte, da dråberne rørte ved sæbevandsløsningen.
"DCM har en højere tæthed end vand, så du kunne forvente, at det synker med det samme," fortalte Steinbock. "Men i stedet, så snart det rører ved vandet, spreder en del af det sig og skaber denne slags film, der holder dråben på overfladen af vandet ... det er som en båd, der holder dråben flydende.” (Selvom DCM-filmen ikke er synlig i den virale GIF ovenfor, kan du se den tydeligt i flere andre videoer af eksperimentet, som Steinbock sendte til YouTube.)
På trods af denne bådlignende film begynder en lille del af dråben at synke. Det er ikke synligt fra oven og ned-udsigtspunktet for denne GIF; dog dannes en lille stråle af faldende bobler under dråben, når den berører vandet. Den faldende DCM-jet krymper langsomt dråberens volumen, men får den også til at rotere. "Det er lidt som når du skyller et toilet," sagde Steinbock. "Vandet har en tendens til at begynde at rotere og vri. Og det udløser rotationen af dråbet, som vi begynder at se."
Inden for et par sekunder flyder dråben på en gang, roterer og fordamper. Som et resultat af disse kombinerede kræfter begynder små dråber til sidst at løsne sig fra kanten af den større dråbe. Men i stedet for at synke ned, skyder de radialt ud og bevæger sig lige frem over overfladen af filmen, indtil de selv fordamper.
"Disse dråber er selvdrevne," sagde Steinbock. Dette skyldes et fænomen kaldet Marangoni-effekten, som siger, at en væske med en høj overfladespænding vil trække stærkere end en væske med en lav overfladespænding. Denne forskel i spænding skaber en kraft på systemet, der kan føre til bevægelse.
Efterhånden som DCM i eksperimentet begynder at fordampe, falder dråbeoverfladens overfladespænding udefra i. Mindre dråber begynder at dannes ved den store dråbekant, indtil den relativt høje overfladespænding i det omgivende vand trækker de små dråber væk, som Steinbock kalder en "ballistisk" bane. Hver individuelle dråbe bevæger sig lige frem, indtil dens overfladespænding bliver lige ustabil, hvilket fører til yderligere fragmentering. Til sidst deles dråberne så mange gange, at de ikke længere kan ses. (En artikel i 2017 i Physical Review Letters forklarer fænomenet yderligere.)
Disse og andre kræfter fortsætter med at dreje og krympe den store DCM-dråbe, indtil den pludselig mister sin symmetri og sprutter vanvittigt til total fordampning. Hvorfor systemet pludselig går fra en tilstand af tilsyneladende symmetri til total entropisk kaos forbløffer endda Steinbock og hans medforskere. På tværs af et halvt dusin eksperimenter var de ikke i stand til at genskabe de nøjagtige mønstre set i denne GIF. ”Jeg var lidt modet til at forstå, hvor kompliceret det virkelig er,” sagde Steinbock.
Men hvor kompliceret talte denne lille dråbe opløsningsmiddel alligevel til noget iboende og rent i mange, der så det. Som Reddit-bruger MurderSlinky udtrykte det: "Aldrig før har jeg relateret så meget til et gif, som jeg har til denne lille, ubetydelige prik væske, der roteres målløst i et endeløst, ligeglad hav, mens jeg langsomt bliver noget."