Thomas Dalton
0 
2676
557
Pojedyncza kropla rozpuszczalnika wiruje jak malutka tancerka na szczycie zlewki z wodą, stopniowo wyrzucając małe okrągłe kawałki, aż nic nie zostaje. Niektórzy, którzy go widzieli, myśleli, że wygląda jak wirująca galaktyka lub najmniejszy huragan na świecie. Wszyscy, którzy to widzieli, zastanawiali się, co się dzieje - w tym naukowcy, którzy przeprowadzili eksperyment w 2011 roku.
Magiczna kropla gwiazd rozpuszczalnika w GIF-ie zatytułowanej „Kropla dichlorometanu na wodzie, która ulatnia się spiralnie, gdy paruje”, opublikowano w czwartek (11 stycznia) na forum Reddit r / chemicalreactiongifs. Pomimo nowej sławy (ponad 20 tysięcy głosów za w ciągu pierwszych 24 godzin), GIF powstał z artykułu z 2011 roku opublikowanego w niemieckim czasopiśmie chemicznym Angewandte Chemie.
Teza artykułu była prosta: kiedy wypuścisz kroplę rozpuszczalnika dichlorometanu (DCM) do zlewki z mydłem, wygląda to naprawdę fajnie. [Album: nagrodzone zdjęcia zrobione przez mikroskop]
“To bardzo łatwy eksperyment i bardzo skomplikowane zjawisko,” powiedział Oliver Steinbock, profesor chemii na Uniwersytecie Stanowym Florydy i naczelny autor badania. „Byliśmy tym bardzo zaskoczeni - i nadal jesteśmy.”
Aby rozpocząć eksperyment, Steinbock i jego koledzy napełnili kilka zlewek wodą o różnym stężeniu i popularnym laboratoryjnym środkiem dezynfekującym o nazwie CTAB. Za pomocą pipety dodali pojedynczą kroplę DCM - bezbarwnego płynu czasami używanego jako odtłuszczacz - do każdej zlewki i sfilmowali wyniki. Każda próba trwała łącznie około 20-30 sekund i była widoczna gołym okiem.
Więc co się tutaj dzieje?
Każda kropla DCM, który ma stosunkowo niską temperaturę wrzenia, zaczęła wyparowywać zaraz po opuszczeniu pipety. Ale niespodzianki zaczęły się, gdy kropelki dotknęły roztworu wody mydlanej.
„DCM ma większą gęstość niż woda, więc można by się spodziewać, że natychmiast opadnie” - powiedział Steinbock. „Ale zamiast tego, gdy tylko dotknie wody, jej część rozprzestrzenia się i tworzy tego rodzaju film, który utrzymuje kroplę na powierzchni wody… jest jak łódź, która trzyma kroplę na powierzchni.” (Chociaż film DCM nie jest widoczny w wirusowym GIF-ie powyżej, można go wyraźnie zobaczyć w kilku innych filmach z eksperymentu, które Steinbock opublikował w YouTube).
Pomimo tego podobnego do łodzi filmu niewielka część kropli zaczyna tonąć. Nie jest to widoczne z góry na dół tego GIF-a; jednakże mały strumień spadających bąbelków tworzy się pod kroplą, gdy dotknie wody. Spadający strumień DCM powoli zmniejsza objętość kropli, ale także powoduje jej wirowanie. „To trochę tak, jakbyś spłukiwał toaletę” - powiedział Steinbock. „Woda ma tendencję do obracania się i skręcania. A to powoduje obrót kropli, którą zaczynamy widzieć”.
W ciągu kilku sekund kropla natychmiast unosi się, wiruje i paruje. W wyniku tych połączonych sił mniejsze kropelki w końcu zaczynają odrywać się od krawędzi większej kropli. Ale zamiast zatopić się, wystrzeliwują promieniście, poruszając się prosto przed powierzchnią folii, aż same wyparują.
„Te kropelki są samobieżne” - powiedział Steinbock. Wynika to ze zjawiska zwanego efektem Marangoniego, które stwierdza, że ciecz o wysokim napięciu powierzchniowym będzie ciągnąć silniej niż ciecz o niskim napięciu powierzchniowym. Ta różnica napięć tworzy siłę na system, która może prowadzić do ruchu.
Gdy DCM w eksperymencie zaczyna parować, napięcie powierzchniowe kropli spada od zewnątrz do wewnątrz. Mniejsze kropelki zaczynają formować się na krawędzi dużej kropli, dopóki stosunkowo wysokie napięcie powierzchniowe otaczającej wody odciąga małe kropelki w coś, co nazywa Steinbock trajektoria „balistyczna”. Każda pojedyncza kropelka porusza się prosto przed siebie, aż jej napięcie powierzchniowe stanie się równie niestabilne, co prowadzi do dalszej fragmentacji. W końcu kropelki rozszczepiają się tak wiele razy, że nie można ich już zobaczyć. (Artykuł z 2017 w Physical Review Letters wyjaśnia to zjawisko dalej.)
Te i inne siły nadal wirują i kurczą dużą kroplę DCM, aż nagle traci swoją symetrię i rozpryskuje się szaleńczo, aż do całkowitego odparowania. Dlaczego system nagle przechodzi ze stanu pozornej symetrii do całkowitego chaosu entropicznego wprawia w zakłopotanie nawet Steinbocka i jego kolegów badaczy. W ramach pół tuzina eksperymentów nie byli w stanie odtworzyć dokładnych wzorców widocznych na tym GIF-ie. „Byłem trochę zniechęcony, gdy zrozumiałem, jakie to naprawdę skomplikowane” - powiedział Steinbock.
Jakkolwiek skomplikowana, ta mała kropla rozpuszczalnika przemawiała jednak do czegoś nieodłącznego i czystego dla wielu, którzy to widzieli. Jak ujął to użytkownik Reddita, MurderSlinky: „Nigdy wcześniej nie odnosiłem się tyle do gifa, co do tej maleńkiej, nieznaczącej kropki cieczy wirującej bez celu w nieskończonym, obojętnym morzu, powoli stając się niczym”.