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當車子掉進水裡,腦袋和鞋子千萬要保住-《物理才是最好的人生指南》

PanSci_96
・2015/01/13 ・1235字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

有天晚上,你開車參加晚宴,為了閃避在馬路上玩耍的小孩,方向盤用力一轉,沒想到直接開進湖裡,而且發現車窗全都打不開!這時別忘了,你已了解水壓的特性,它將能幫助你安全又有型地逃脫。

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如果不了解流體的相關物理特性,很可能會越弄越糟,反而陷入危險。

你不斷拳打腳踢,嘴裡還罵著髒話;不只如此,額頭狂冒青筋、毫無優雅可言,連鞋子也弄壞了。總算打開車門後,雖然急著浮出水面,但剛剛已經嚇得半死、累得要命、分不清上下左右,根本不知道該往那個方向游,結果身體一邊在水裡掙扎,一邊卻不小心弄掉一隻鞋。

終於,救難人員把你拉上一隻小小的橘色充氣橡皮艇,這時你要不就是衣服往上掀起,露出大塊肥肉,要不就是褲子卡在屁股上,連裡頭的內褲都看得一清二楚。更慘的是,你一副驚嚇過度的樣子,不停發抖,只能緊抓著扶手,任憑小船駛近岸上的電視臺攝影機,而前女友還剛好在當地新聞現場連線中看到你的蠢樣。

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幸好你對車子周圍那些水壓有所了解,如此一來,就能以優雅的方式處理這樣的意外。你試著打開車門,但沒辦法,於是很快決定改用B計畫。車外的水急著想衝進來,好把裡頭的空間填滿;不過它沒有手可以開門,只好頑固地緊緊靠在車上,設法擠進來。

你知道水會把它的所有重量都壓在車上,也知道水的重量大得驚人,還知道即使自己能做出一些讓人印象深刻的瑜伽動作,仍然沒有足夠力量贏過水在車門外所施加的壓力。你心裡有數,水會透過車子內外各個沒有密封的小孔滲進來,讓水位逐漸升高。只要車子裡的水夠多,車子內外的水壓就會差不多,你就有辦法把車門打開。

在內外水壓達到平衡前,你還有一些時間可用,就拿來準備逃脫吧。你脫下鞋子,用鞋帶或其他什麼東西固定在腰部,等到水位跟你的下巴差不多高,就是把門推開的好時機。車子裡有水,車子外也有水,車門內外的水壓都差不多,也就沒什麼阻力。你順利從車內逃脫,還不忘使出優雅的海豚踢!浮上水面後,再以長而緩慢的划水動作把身體往岸邊帶,而岸邊早就聚集一大群消防隊員,十分佩服地看著你的一舉一動。你的行動迅速而確實,他們甚至來不及把那隻小小的橘色救生艇拿出來。

你爬上岸、穿上鞋子(因為它們是整套服裝畫龍點睛的部分),把頭髮往後順一順,再讓消防隊用毯子把你包起來。電視臺的人到了,架好燈光,把你的逃生經過以現場直播傳送出去,還加上字幕:「穿著時尚鞋款的英勇駕駛打敗死神,救了孩童一命。」那孩子的母親上前給你一個擁抱。記者提了幾個問題,你說你並不認為自己是個英雄……如果「英雄」是指有誰為了保護年幼的兒童,寧可讓自己陷入險境,接著又展現出科學知識的威力與臨危不亂的冷靜頭腦,那麼,沒錯,也許「英雄」這個說法 可以客觀地適用於這個狀況。

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本文摘自泛科學2015一月選書《物理才是最好的人生指南》,究竟出版社出版。08ed364c0a044590893d0daf8511ac44

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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

  • 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.
ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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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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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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讓水能「逆流而上」的黑科技--「拓撲流體二極管」是怎麼辦到的?
果殼網_96
・2018/01/17 ・4031字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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文/陸遙|英國倫敦大學學院(UCL)化學系博士,現為 UCL 機械工程系博士後。研究超疏水多功能材料、固體潤濕性、流變學等。

如果能隨心所欲的控制液體的流動方向又不花費額外能量,將能帶來多大的益處呢?圖/Pixabay

 

電路中的二極管想必大家並不陌生,大名鼎鼎的 LED 就是其中的一種。在二極管中,電流只能朝單方向流動,反向則會被阻斷。但如果我告訴你,流體也有二極管,即液體在一根管子裡只能沿著一個方向定向流動、潤濕,反向則會被阻斷,你或許就要疑惑了,這是怎麼做到的呢?

近日,香港城市大學博士研究生李加乾和中國科學院上海微系統所周曉峰博士在香港城市大學王鑽開教授和美國理海大學(Lehigh University)Manoj K. Chaudhury 教授的指導下,聯合為大家展示了一種通過調整表面微觀形貌,控制液體流向的「拓撲流體二極管」(Topological liquid diode),並在《科學》雜誌的子刊《科學進展》(Science Advances)上發表了他們的研究成果[1]。

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讓液體定向流動有什麼用?

「拓撲」一詞由英文 Topology 音譯而來,有研究特定地方地形、地貌的意思 [2]。王鑽開和同事們用拓撲一詞,意在表達通過對材料表面「地形地貌」(即材料表面微觀形貌)的控制,來實現流體的定向移動。

你可能會問,液體定向移動有什麼用?我可以告訴你,如果沒有液體定向移動,地球上很多動植物就都要滅絕。比如沙漠甲蟲,利用背後親水的區域收集水,再利用親水和疏水區域形成的流體通道將收集的水自發定向地運輸到嘴裡[3]。再比如仙人掌,在沙漠中通過刺來收集水氣,收集的水沿著刺的外端自發定向地傳送到仙人掌的身上 [4]。當然,這種例子並不只在沙漠中才有。像豬籠草的「嘴唇」[5] 和蜥蜴的皮膚[6] 也具有類似功能。

自然界中這些自發、定向運輸液體的例子很多都是依靠其精妙的微觀形貌實現的,本文的主角「拓撲流體二極管」也不例外。接下來我就帶大家來揭開拓撲流體二極管這項黑科技神秘的面紗。

沙漠甲殼蟲和仙人掌。圖片來源:參考文獻 [3]

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揭開拓樸流體二極管的作用機制

在拓撲流體二極管的製造中,研究團隊用一種特殊的凹槽構建了一個複雜的表面結構(旁白 : 誰能告訴我這麼複雜的結構是怎麼想到的?!)。這個表面的總體結構是一個U型島狀陣列(U-shaped island arrays)。構成陣列的每個U型島內都有一個U型槽,槽的頂端設計了一個凹角結構(re-entrant structures)。這凹角結構可不是為了好看,而是為了改變表面的潤濕性。

掃描電子顯微鏡下流體二極管表面的微觀形貌。總體結構是一個U型島狀陣列,用一個個長方形“柵欄” 圍著這些U型島狀結構(圖A)。構成陣列的U型島狀結構開口處較寬,向內寬度依次遞減,在每個U型島內都有一個U型槽(圖B)。U型槽的頂端還設計了一個凹角結構(圖C)。這凹角結構可不是為了好看​​,而是為了改變表面的潤濕性。圖片來源:參考文獻[1]
 

根據密西根大學 Anish Tuteja 教授早期的研究[7],這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構為基礎的這一系列設計,會達到什麼效果呢?當水滴滴在該表面上時,這滴水並不會像生活中常見的那樣向四處無序地舖展,而是會沿著單一方向鋪展開來。儘管在相反的方向上也會有較小程度的潤濕,但這種潤濕很快就被流體二極管截斷了。

不止是水,作者還嘗試了乙醇、甘醇(乙二醇)等其他表面張力、密度、潤濕性各不相同的液體,發現這些液體在流體二極管上也有類似現象。這證明,流體二極管具有普遍適用性。

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水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。圖片來源:參考文獻[1]
水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。動圖來源:參考文獻[1]

不但是科技的躍進,也解開物理學十多年的謎題

可別小看流體二極管的設計,它解決了一個物理學中十多年來都很難解釋的現象。早在2005年,Manoj K. Chaudhury和 Ankur Chaudhury 教授發現,在一個有水滴線性排列的疏水表面上,油在初始狀態時擴展的很慢。但當油逐漸積累、連在一起並覆蓋水滴的時候,油就擴展的很快[8]。這就好比在一個僅一人能通過的胡同(疏水表面)裡,橫著幾座矮牆(水滴),想要過胡同必須要翻牆。最先爬牆的人(油)比較費力,但是當爬過去的人多了,有一部分人就會留在牆根底下幫助其他人,這樣後來的人爬牆就比較容易了。

儘管此後有一些研究試圖解釋這個現象,但對於油如何突破、克服初始階段緩慢擴展的屏障,並沒有人能給出答案,因此這也成了一個懸而未決的謎,直到最近這份研究的問世。

油在水滴線性陣列中的慢跑與快跑現象。圖片來源:參考文獻[8]
 

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在研究流體二極管中液體的定向流動時,作者發現一個前驅的液體膜起著關鍵性的作用——後續的液體更願意沿著「前人」的足跡前進,先鋒部隊拉動大部隊前進。那麼這個前驅液體膜又是怎麼來的呢?這要歸結於一種叫角流動的現象(corner flow)[9]。用太空人喝咖啡——準確來說是吸咖啡——舉個例子。在太空中失重的條件下,液體的流動是自由無序的。但由於角流動效應的存在,液體更加傾向於沿著杯壁走。

太空人在失重條件下吸咖啡,由於角流動效應,水沿著杯壁流動而非無序飄散。圖片來源:NASA

在拓撲流體二極管中,會有一部分液體優先沿著柵欄的側壁流動,這部分液體抄小路鋪展,因此跑的較快,成為「先鋒部隊」。

拓撲流體二極管的潤濕過程。首先,先鋒部隊超兩邊小路進發,然後,大部隊趕到,與先鋒部隊匯合。緊接著,先鋒部隊再優先潤濕下一個U型島狀結構。動圖來源:參考文獻[1]
 

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這些「先鋒部隊」會優先「抄小路」從兩邊進入到流體二極管的 U 型槽中,形成前驅液體膜,但並不會超過凹角結構的高度。隨後而來的「大部隊」會被凹角結構所阻隔,堆積在 U 型槽裡。當被阻隔的「大部隊」液體積累到一定量時,會突破凹角結構的束縛,並與前驅液匯合,然後,就會發生「水躍現象」(hydraulic jump),「跳過」U 型島障礙,向前流動。所以從整體來看,液體在拓撲流體二極管裡的流動過程並不是連續的,而是像跨欄一樣「一跳一跳」地前進。

高速攝像機下的水躍現象。拓撲流體二極管的正向潤濕依次經過阻隔、合併和水躍過程。動圖來源:參考文獻[1]
流體二極管的側面剖視圖。前驅液膜在流體二極管中對後續液體的正向引導機理。前驅液體(淺藍色)會優先進入到U型槽裡,在前驅液膜的引導下,水的流動依次經過阻隔(pinning),合併(coalescence)和水躍的過程,使水得以快速地向前流動。圖片來源:參考文獻[1]
 

流體二極管的正向始終處於「導通」狀態,那麼它反向的「阻斷」狀態又是怎麼來的呢?原因還要從表面結構上找。當液體嘗試在流體二極管中反向流動的時候,被凹角結構攔住的液體「大部隊」會從上方潤濕凹角結構,凹角結構擋住了下方的「前驅液膜」,形成凹角阻隔(re-entrant pinning),這樣,後續的液體「大部隊」沒法跟前驅液膜合併,也就不能順利前進了。

流體二極管中微觀結構對後續液體的反向阻斷機理。凹角結構擋住了液體“大部隊”與前驅液膜的合併,阻止了液體的流動。圖片來源:參考文獻[1]

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控制液體的單向流動,甚至能克服重力!

儘管壓力大到一定程度的時候,液體仍然會突破凹角結構,但由於流體二極管正向「導通」狀態非常好,使得液體都願意往正向跑,因此反向的壓力很難增加到突破凹角結構的程度,就這樣,反向的「生意」就都被正向搶跑了,這就促成了液體在流體二極管上的單向流動。

研究人員還將流體二極管擺成圓形和螺旋形向大家展示宏觀上,液體自發的、長距離的定向流動現象。更逆天的一點就是,這個傳輸甚至可以克服重力!

液體在圓形和螺旋形流體二極管上的定向流動。動圖來源:參考文獻[1]
 

那麼流體二極管在實際中會有什麼樣的應用呢?

首先,談到二極管,第一個想到的應該就是邏輯電路了吧。流體二極管可以構建一個個流體的邏輯門,乃至邏輯門陣列——一個流體的「邏輯電路」。這樣的「流體邏輯電路」應用在微流體控制領域,會大大加快製藥、電子冷卻等行業的發展。其次,流體控製或許也可用於散熱。設想一下,如果能讓冷卻液自發地返回到蒸發端,那可以節省多少成本和能量?

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再者,這種液體自發運輸或許還可用於航空航天領域。在微重力的條件下,控制流體運動的方嚮往往需要更多的能量輸入,連喝杯咖啡都要“吸”著喝。拓撲流體二極管可以讓太空人在太空中喝到不用「吸」的咖啡!最後,我們來大膽設想一下,由於流體二極管對多種液體/流體的普遍適用性,不妨假設引進其他形式的流體,如磁流體–流體二極管/邏輯門,控制磁流體定向移動,說不定未來又會玩出什麼樣的黑科技!讓我們共同期待這項前沿技術的發展吧!

參考文獻

  • Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode, Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
  • Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International Scientific Vocabulary
  • Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Water capture by a desert beetle,  Nature 2001, 414, 33.
  • Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
  • Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016, 532, 85.
  • Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner, Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society Interface 2015, 12, 20150415.
  • Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A. Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen, Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
  • Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
  • Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.

本文版權屬於果殼網(微信公眾號:Guokr42),原文為〈这个黑科技,终于解决了物理学10多年来悬而未解的迷〉,禁止轉載。如有需要,請聯繫 sns@guokr.com

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