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鋪馬路的「瀝青」是液體?放置 94 年只滴下整整 9 滴:千變萬化的流體(一)

ntucase_96
・2021/12/04 ・2242字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(一):一個做了90年的實驗

從躺在沙灘上,吹拂身體而過的微風,到吃果醬吐司時,苦苦等待滴落的黏稠果醬;光滑如鏡的湖水到構成平整路面的柏油(瀝青)。這些東西之間具有什麼共通性?又是什麼因素造成它們表現出來的性質,具有如此大的差異?

海水與海風都具有流體的特性。圖/Pixabay

流體,泛指任何可以流動的物體,在我們的經驗中,主要包含了氣體和液體。例如充斥我們四周的空氣,以及隨處可見的水。但實際上,有些我們看似為固體的東西,其實也屬於流體,例如堅硬的玻璃。以上這些物質都落在流體的範疇。很顯然地,它們之間應該有某種決定性的差異,那便是它們的「黏滯性」。

流體的黏滯性

從微觀的角度來看,黏滯性可以被看成是流體分子之間的吸引力強弱。我們可以想像眼前有一杯水和一坨麻糬。當我們對著它們吹一口氣時,從微觀的角度來說,便是在對它們表層的分子施力。水分子之間的吸引力比較弱,因此表層的水在受力後能夠自由移動,形成波紋;但麻糬分子之間的作用力較強,表層分子被其他分子緊緊抓住,因此不會形成明顯的運動。

麻糬看起來已經很黏了,但在黏滯性排行榜中,它可能還排不太進去。在生活中存在著一種黏滯係數非常大的流體,雖然可能大家都沒把他當成流體過,那便是:瀝青。為了量測瀝青的黏滯係數,物理學家進行了一個「持續時間最長」的實驗:「瀝青滴漏實驗」。到目前(2021 年)為止,已經持續了 90 幾年。有興趣的讀者可以透過以下連結參與這個實驗的直播:http://www.thetenthwatch.com/feed/

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圖一、瀝青滴落實驗。筆者於 2021/8/17 截圖自上述實驗直播。

若是讀者們沒有看出瀝青正在滴落,不用懷疑播放鍵是不是壞了。畢竟,根據實驗記錄,上一次滴落花了 13 年時間!這個實驗從 1927 年架設完畢,到目前為止,一共只有 9 滴瀝青滴下。以此估計,瀝青的黏滯係數會是水的千億倍。因此,瀝青大概會是黏滯係數排行榜榜首的候選人之一。

那若是我們看向另一端,黏滯係數很小的部分,可以想像當這樣的流體一旦受到外力,會非常容易流動。也許讀者們會好奇,有沒有可能黏滯係數為零呢?有,這種流體被稱作「超流體」。打個比喻,若是咖啡是種超流體,當我們加入奶精、糖攪拌完後,過半個小時來看,會發現它還在不停的旋轉,完全沒有停下來的跡象!這種流體具有非常獨特的性質,但由於其背後物理原理較為複雜(有數個諾貝爾物理獎都與此題目有關),筆者將此題目留至下一篇文章,再進行完整的介紹。接下來,我們先介紹如何描述流體的運動,也就是流體流動的類型:層流與紊流。

層流與紊流

當我們想要描述流體時,可以將某一個特定時刻,流體中每一個點的瞬間速度以箭頭的方式標出,箭頭的方向指向該點的運動方向,箭頭長度則為運動速度大小。例如在一根細管中,若有水流過,可以預期水流會和管壁大致平行。此外,由於管壁的摩擦力,靠近管壁的流體速度會最慢,正中間的流體則最快,形成如圖二般的速度分布。

圖二、管內流體速度分布示意圖。

這種情形下,流體可以被看作一層一層、彼此不會互相混合且穩定的流動,稱為「層流」。雖然表面上看起來流體分子之間如排隊般,以非常整齊的隊伍前進,但是實際上,流體中存在各種各樣的不穩定性(流體中的不穩定性遍布日常生活中,我們會在超流體之後的文章和各位讀者介紹此現象。),會使得流體發生微小的擾動。若是流體的黏滯性夠大,這些微小的擾動便會被摩擦力消耗掉,使得整體看起來依舊穩定流動;但若是擾動足夠克服摩擦力,則不同層之間的流體會開始混合,形成如漩渦般的複雜結構,這種情況被稱為紊流。由以上描述可知,流體的運動會是哪種情況,會和擾動大小與流體黏滯性有關。在科學上,會透過流體的「雷諾數」來加以描述一個流體運動屬於哪種類型。

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層流與紊流的現象在日常生活中其實非常普遍,我們不需要去計算雷諾數,也能夠從流體的外觀來大致分辨它是處於層流還是紊流。例如在欣賞壯麗的瀑布時(如圖三),會發現在水流落下之前,水的流動是相對平穩,顏色呈現深藍色;但當水開始下落形成瀑布時,水的流動變的不穩定,形成白色的水花。讀者們看到這裡,想必已經可以判斷它們分別對應的流體運動種類為何了。

圖三、尼加拉瀑布風景圖。可看到水流在落下前流動較穩定,接近層流;落下後則轉為紊流,充滿白色的泡沫。圖片來源:Kevin Payravi

流體在日常中無處不在,流體性質的研究並非僅僅只是純科學的探索,它們早以走進每個人的生活中。例如飛機機翼如何設計增加浮力、高鐵車頭什麼形狀可以降低風阻、甚至容器瓶口要如何設計,才不會倒水時沿著瓶身留下…等等,這些都和流體的特性密切相關。流體,值得我們更深入的認識它!

參考資料

2021.12.12 PM 0:45 更新:圖三敘述原寫「尼加拉瓜瀑布」。感謝 codocodo2009 提醒,已修改成「尼加拉瀑布」。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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怪獸襲來!為什麼會有哥吉拉形狀的雲朵?:千變萬化的流體(三)
ntucase_96
・2021/12/11 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(三):哥吉拉雲—流體的不穩定性

海岸邊的雲層上緣,出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲;原子彈投下後,劇烈爆炸引起的蕈狀雲;土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象,背後其實成因都可以歸納為:流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊,有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片(圖一左上);也有飛行員在雲層上分享過類似的照片(圖一右上);除此之外,天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層(圖一下)。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高,不只在地球上出現,連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢?

圖一左上:海岸邊的哥吉拉雲,圖/大間觀光土產中心推特
圖一 右上:飛行員在雲層上看到的哥吉拉雲,圖/世界氣象組織(WMO)推特
圖一下:土星大氣層內的雲帶照片。圖/NASA

在<千變萬化的流體(一)>一文中,我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種:層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定,它可以被視為一層一層獨立的流動來討論;相對的,紊流如同它的名字所表示,流體內部的流動較為混亂,不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」[1]

在描述天氣系統為甚麼難以預測時,常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事:位在大西洋的颶風,其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀,這個初始的小擾動,隨著時間演變,最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動,若整個流體的不穩定性足夠大,微小的擾動便有機會繼續成長,直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性,在本篇文章中,我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性:克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

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克耳文-亥姆霍茲不穩定性:哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家:發明絕對溫標的克耳文爵士,以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲(在<香檳聲音哪裡來?>一文中,他曾經登場過)。這個不穩定性發生的條件是:兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二,讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體,分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時,一切無事,如圖二(a)。但這個狀態其實並不穩定,任何的擾動,都可能會破壞這個完美狀態。例如,流體中形成了如圖二(b)的擾動,接下來流體的運動會如何變化呢?

對於淺藍流體來說,A 點的體積較原本略小,因此流動速度較大,如同澆花時,將水管捏住(管徑縮小),水可以噴得更遠。此外,流速較快也會使得 A 點的壓力減小;但對於紅色流體來說,A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二(c)。兩種流體之間的壓力差,會進一步使擾動長大,如圖二(d)。最後,由於流體本身橫向的速度,使擾動在橫向上出現變形,如圖二(e)。如此一來,哥吉拉形狀是不是就出現了呢?

圖二:克耳文-亥姆霍茲不穩定性形成示意圖。圖/CASE 報科學

瑞利-泰勒不穩定性:核爆蘑菇雲

接下來,讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見,但是看過就很難忘記的不穩定性現象:核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因,是來自於瑞利-泰勒不穩定性,它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量,將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道,氣體的溫度越高,密度越低,因此在爆炸中心,會瞬間形成大量的低密度空氣。

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讓我們用簡單的模型來看看,這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三(a)中有兩種流體,密度較高的在上,此時整個流體系統處於不穩定態,只要有一點擾動 ,如圖三(b) ,不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異,重力使得密度小的流體上升,密度大的下降,使不穩定度振幅逐漸增大。此外,由於壓力差與密度差的方向並不平行,會導致流體的邊界形成渦旋,如圖三(c)。以上這些效應疊加在一起後[2],流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵,如圖三(d)。

圖三:瑞利-泰勒不穩定性示意圖。圖/CASE 報科學

以上兩種流體不穩定性,其實在我們生活中也存在,例如:點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升,空氣密度下降,此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件;當熱空氣上升時,和兩側靜止的空氣有一相對速度,也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小,發生速度較快,肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此,各位讀者在了解這些不穩定性之後,若是試著觀察看看生活中的各種流體,也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔!

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE<上下顛倒漂浮船>一文
[2] 實際上,形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關,數學模型較為複雜,此處只是簡單概述其成因。

參考資料

  1. Kelvin–Helmholtz instability
  2. Rayleigh–Taylor instability
  3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.
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「超流體」是什麼酷東西?為何它可以逃離容器?:千變萬化的流體(二)
ntucase_96
・2021/12/05 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(二):超流體

剛睡醒的早晨,沖泡好一杯香氣四溢的咖啡,加入鮮奶、糖攪拌後準備享用時,卻發現咖啡似乎還在不停的旋轉,沒有停下來的跡象。仔細看,還會發現咖啡竟然開始沿著杯壁向上攀爬、越過杯口,最後在杯子底部匯聚、滴落。很明顯,以上場景純屬虛構,咖啡可不會這樣。但大自然中卻有種流體有這樣的性質,那就是:超流體。

在上一篇文章<千變萬化的流體(一):一個做了 90 年的實驗>中,我們介紹了流體的黏滯性。其中瀝青具有非常大的黏性,其流動十分緩慢,外在表現基本上和固體無異。黏滯性極小的一端,則存在著一種不具有任何黏滯性的流體,便是超流體。超流體具有許多神奇的性質,例如可以通過極微小的毛細管、將超流體放在容器中,它會沿著容器壁爬升,跑出容器外…等等。令人感到可惜的是,具有如此神奇性質的超流體,目前只有在極端低溫的條件下才能存在。

圖一、逃離容器的超流體。裝在容器內的超流體(液態氦),會沿著容器壁向上爬升、超過容器口,最後在容器外匯聚、滴落,直到所有的液態氦全數「逃離」。圖片來源:Alfred Leitner

超流體是什麼?

1937 年,科學家卡皮查與艾倫,在嘗試將氦-4這種元素冷卻到極低溫時,發現當溫度低於 2.17 K(−270.98°C)時,氦的性質突然發生改變[1]。在以下連結的影片中呈現了氦-4冷卻的過程。

我們可以發現當氦的溫度逐漸下降,氦突然從原本如沸騰般充滿氣泡的情況,突然「安靜」了下來,那時便是氦-4的溫度達到「臨界溫度」,發生根本性質的改變(物理上稱為「相變」),從一般流體轉變為超流體。

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為什麼會出現這個景象?這裡我們要介紹超流體的第一個重要性質:「超流體內部不存在溫度差」[2]。這意味著,若是我們在超流體的一端加熱,溫度可以瞬間傳遞到超流體的另一端。這個性質在一般流體中可沒那麼常見,讓我們回想一下生活中最常見的流體之一:水。

當我們將一壺水,放在瓦斯爐上加熱時會看到水的熱對流現象:最靠近火源的水溫度上升最快,因為密度減小而上浮,旁邊溫度較低的冷水則往中央靠近,形成對流。對流愈是劇烈,整個流體便顯得愈不平靜。但若是我們加熱的是超流體,由於超流體的熱傳導率是無限大,因此熱源所釋放的熱量會在一瞬間傳遞到整個超流體中。由於內部沒有溫差,不會出現如熱水般的劇烈對流現象,顯得特別「安靜」。

這種特性顯示超流體分子的性質,就如同一個巨大的整體:若流體中有一個地方溫度改變,所有分子就要一起改變。這種性質來自於氦-4是一種「玻色子」。玻色子這種粒子在極低溫的情況下,會傾向於所有粒子都落回最低能量狀態(基態),這個現象被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。蘇聯物理學家朗道透過此理論,解釋了氦-4為何在極低溫下會形成超流體。

打個比喻,剛成年的少年們,每個人都有獨特的生活模式,但到成功嶺受訓時,便全部「凝聚」在一起,形成一個具有共同性質的集體。有趣的是,由於少年們都具有極為相似的性質,因此他們之間的「摩擦」(彼此之間的交互作用,也就是黏滯性)會大幅下降,形成獨特的超流體現象。

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有縮骨功的超流體?

若是我們手邊有兩種流體,想要判斷哪一種可以通過一根細管子。我們的生活經驗告訴我們,愈黏的流體,愈不容易通過。黏性愈大的流體,代表它們分子之間的作用力愈大。打個比喻的話,可以說它們更愛「群聚」,若是要通過某一個孔洞,那就要讓大部分的分子一起通過才行。例如,固體可以想像成是一種黏性無限大的流體。想要讓一個硬幣通過吸管,那吸管勢必要比硬幣大才行。那黏滯性為零的超流體,會怎麼表現呢?它們的分子之間可以說「毫無感情」,因此只要細管的孔徑允許一個分子通過,那超流體就有辦法流過這根極細的管子。

反重力的超流體?

超流體沿著容器壁爬升又是怎麼回事呢?若是我們將水裝在一根試管中,仔細觀察,可以發現管壁的水位比中央的水位來的高,這個稱為水的「附著力」,也就是容器壁對於水分子有個吸引力。那為什麼容器壁不會將水一直拉上去,而會停在某個位置呢?一方面是地心引力,另一方面是水分子之間「扯後腿」的黏滯力。水分子想要沿著杯壁向上爬,但黏滯性就如同他不是自己一個人爬,而是攜家帶眷外掛行李,因此爬到某一個高度就爬不動了(如圖二)。

這時讀者大概可以想到超流體是怎麼回事了。如特種部隊的超流體分子,它沿著容器壁攀爬只需要自己能爬上去就可以。最終的結果,便是超流體會在容器壁形成只有一個分子厚度的薄膜,將整個容器包裹起來。延伸到容器外的流體,在地心引力影響下便會匯聚在容器底端,向下低落,形成了超流體「逃出容器」的奇特現象。

圖二、不同流體附著力影響示意圖。一般流體,如圖 (a) 中的水,由於黏滯力較大(如同攀岩者負重較重),只能爬升到有限的高度;超流體由於不具有黏滯性,分子間互不影響,可以如圖 (b) 般沿著容器壁爬升、甚至跑到容器外。

在發現超流體現象之前,沒有人預期到物質在被降至極低溫後會表現出如此截然不同的性質。隨著科技的進步,人們逐漸有能力一探各種極端條件下物質的變化,相信還有非常多有趣的現象在等著我們。

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註解

[1] 除了氦-4以外,它的同位素氦-3也在更接近絕對溫度時(0.0026K)展現出了超流體的性質。
[2] 由於這個性質和超導體的「超導體內部不存在電位差」十分相近,因此得名「超流體」。

參考資料:

[1] Superfluidity
[2] Pyotr Kapitsa Biographical
[3] The Strange, Frictionless World of Superfluids

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