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混合與否,附著力參一腳!

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Jun 29, 2003

編輯 Keelungman 報導

如果我們把兩堆不同種類的顆粒放進滾筒裡面,讓滾筒滾動攪拌,那麼這兩種顆 粒是否能均勻混合呢?答案通常得視這些顆粒的性質而定。不過就常識來判斷, 濕的顆粒應該總是比乾的顆粒要來得容易混合。然而在五月九日的 Physical Review Letters 期刊上,兩位來自 University of Pittsburgh 的科學家發表 了一些不一樣的新發現。

Hongming Li 與 Joseph McCarthy 設計的顆粒混合實驗中,顆粒採用了玻璃或 壓克力的圓珠,而滾筒是經疏水性矽甲烷處理的玻璃材質(可避免顆粒附著),直徑 14 公分,深度 2 公分。在混合的時候滾筒轉速設定得很慢(約在 6-9 rpm),而 混合時顆粒間的主要作用力,是在於分散在顆粒間的水對顆粒附著的結合力,以 及顆粒自身的重力。他們發現,有些原本在乾燥的狀況下可以混合得很好的顆粒, 沾濕後用滾筒攪拌反而分開了(見圖 http://focus.aps.org/stories/v11/st20 /pic-v11-st20-1),反之亦然。

於是他們提出了一個簡單的理論。利用一個無因次係數,其中包含了液體表面張 力係數,與材質的接觸角(代表材質的親疏水性),顆粒尺寸與密度等的組合, 來說明顆粒受作用力的情形。這個無因次係數代表著顆粒附著的結合力與顆粒重 力的比值。將混合時不同顆粒組合的無因次係數,對顆粒的密度比、半徑比,以 及其材質的接觸角餘弦比作圖,可得到顆粒能否均勻混合的相圖。將這個結果與 不同參數下的實驗結果比較,可得到一致的結果:當兩種顆粒的大小相近時,附 著力(親疏水性)不同會造成兩種顆粒的分離﹔相對的若顆粒大小不同,附著力 卻有助於顆粒的團聚而混合。另一方面,如果顆粒的材質相似而大小不同時,大 小不同的顆粒會彼此分離,如同巴西堅果效應一般

實驗與計算的結果都顯示了:當混合不同親疏水性的顆粒時,在中間加入液體會 導致顆粒混合的狀態發生顯著的變化。這項研究不但挑戰了我們的常識,同時也 讓我們省思:有許多由常識為基礎所設計的機器(如製藥廠的藥品攪拌器)也會 不會潛藏這類的問題呢?

原始論文:
Hongming Li and J. J. McCarthy, Phys. Rev. Lett. 90, 184301

參考來源:

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