Jacob Hoover
0 
4407
466
En enkelt dråpe løsemiddel virvler rundt som en liten danser oppå et beger med vann, og gradvis spretter bort små runde biter av seg selv til ingenting blir igjen. Noen som så den trodde den så ut som en spinnende galakse, eller verdens minste orkan. Alle som så det, lurte på hva pokker foregikk - og det inkluderer forskerne som gjennomførte eksperimentet i 2011.
Den magiske dråpen løsningsmiddelstjerner i en GIF kalt "En dråpe diklormetan på vann som spiraler ut av eksistensen når den fordamper," postet torsdag (11. januar) til Reddits forum for r / chemicalreactiongifs. Til tross for den nyvunne berømmelsen (mer enn 20 tusen stemmer i løpet av de første 24 timene), kom GIF fra et papir fra 2011 publisert i det tyske kjemitidsskriftet Angewandte Chemie.
Oppgaven til papiret var enkel: Når du slipper en dråpe diklormetan (DCM) løsemiddel i et beger med såpevann, ser det veldig kult ut. [Album: Prisbelønte bilder tatt gjennom et mikroskop]
“Dette er et veldig enkelt eksperiment, og et veldig komplisert fenomen,” sa Oliver Steinbock, professor i kjemi ved Florida State University, og seniorforfatteren om studien. "Vi ble veldig overrasket over det - og det er vi fortsatt.”
For å sette opp eksperimentet fylte Steinbock og hans forskere flere begerglass med forskjellige konsentrasjoner av vann og et vanlig desinfeksjonsmiddel for laboratorier som ble kalt CTAB. Ved hjelp av en pipette la de til en enkelt dråpe DCM - en fargeløs væske som noen ganger ble brukt som avfettingsmiddel - til hvert begerglass, og filmet resultatene. Hver prøve tok omtrent 20-30 sekunder totalt, og var synlig med det blotte øye.
Så hva skjer her?
Hver dråpe DCM, som har et relativt lavt kokepunkt, begynte å fordampe så snart den forlot pipetten. Men overraskelsene begynte da dråpene berørte såpevannløsningen.
"DCM har en høyere tetthet enn vann, så du kan forvente at den synker med en gang," fortalte Steinbock. "Men i stedet, så snart den berører vannet, sprer en del av den seg og lager denne typen film som holder dråpen på overflaten av vannet ... det er som en båt som holder dråpen flytende.” (Selv om DCM-filmen ikke er synlig i den virale GIF ovenfor, kan du se den tydelig i flere andre videoer av eksperimentet som Steinbock la ut på YouTube.)
Til tross for denne båtlignende filmen begynner en liten del av dråpen å synke. Det er ikke synlig fra ovenfra og ned-utsiktspunktet for denne GIF; en liten stråle med fallende bobler dannes imidlertid under dråpen når den berører vannet. Den fallende DCM-strålen krymper dråpens volum sakte, men får også den til å snurre seg. "Det er litt som når du skyller et toalett," sa Steinbock. "Vannet har en tendens til å begynne å rotere og vri seg. Og det utløser rotasjonen av dråpen som vi begynner å se."
I løpet av få sekunder flyter dråpen på en gang, roterer og fordamper. Som et resultat av disse kombinerte kreftene begynner små dråper til slutt å koble seg ut fra kanten til den større dråpen. Men i stedet for å synke seg selv, skyter de ut radialt, og beveger seg rett frem over overflaten av filmen til de selv fordamper.
"Disse dråpene er selvgående," sa Steinbock. Dette skyldes et fenomen som kalles Marangoni-effekten, som sier at en væske med høy overflatespenning vil trekke sterkere enn en væske med lav overflatespenning. Denne forskjellen i spenning skaper en kraft på systemet som kan føre til bevegelse.
Når DCM i eksperimentet begynner å fordampe, senker dråpens overflatespenning fra utsiden i. Mindre dråper begynner å danne seg ved den store dråpens kant, til den relativt høye overflatespenningen i det omgivende vannet trekker de små dråpene bort i det Steinbock kaller en "ballistisk" bane. Hver enkelt dråpe beveger seg rett frem til overflatespenningen blir like ustabil, noe som fører til ytterligere fragmentering. Etter hvert deles dråpene så mange ganger at de ikke lenger kan sees. (En artikkel fra 2017 i Physical Review Letters forklarer fenomenet videre.)
Disse og andre krefter fortsetter å snurre og krympe den store DCM-dråpen til den plutselig mister sin symmetri og spruter vanvittig til total fordampning. Hvorfor systemet plutselig går fra en tilstand av tilsynelatende symmetri til totalt entropisk kaos forvirrer til og med Steinbock og hans medforskere. I løpet av et halvt dusin eksperimenter klarte de ikke å skape de eksakte mønstrene som ble sett i denne GIF. "Jeg var litt motløs for å forstå hvor komplisert det egentlig er," sa Steinbock.
Hvor komplisert denne liten dråpe løsemiddel likevel snakket med noe iboende og rent i mange som så det. Som Reddit-bruker MurderSlinky uttrykte det: "Aldri før har jeg relatert så mye til en gif som jeg har til denne bittesmå, ubetydelige væskeprisen som spinner målløst i et uendelig, likegyldig hav, mens jeg sakte blir noe."