研究人员通过食用色素飞沫解决了奇怪行为的奥秘（2015）

多年的研究满足了研究生对他在普通食用色素中观察到的分子molecular的好奇心。

经过数百次实验后，令人困惑的观察结果使斯坦福大学的研究人员获得了一个简单而深刻的发现：在某些情况下，液体的液滴会像表演者一样在分子物理学编排的舞蹈中运动。

生物工程学助理教授，《自然》杂志上的高级作者马努·普拉卡什（Manu Prakash）说：“这些液滴彼此感应，它们像活细胞一样移动并相互作用。”

出乎意料的发现可能证明对半导体制造和自清洁太阳能电池板有用，但是真正使Prakash兴奋的是，这一发现是多年来为满足科学好奇心而不断努力的结果。

这项研究始于2009年，当时当时威斯康星大学本科生Nate Cira进行了一项无关的实验。在该实验过程中，西拉（Cira）将几滴食用色素滴落到灭菌的玻璃载玻片上，当它们开始移动时感到惊讶。

西拉（Cira）独自复制并研究了这种现象长达两年，直到他成为斯坦福大学的研究生为止，在那里他与普拉卡什（Prakash）分享了这一奇异的发现。这位教授很快就迷上了难题，并招募了该团队的第三名成员：普拉卡什实验室的博士后学者Adrien Benusiglio。

他们在一起花费了三年的时间进行越来越精细的实验，以了解这些微小的食用色素滴如何彼此感应并移动。在活细胞中，这些感知和运动的过程称为趋化性。

“我们已经发现液滴如何表现出类似于人工趋化性的行为，” Prakash说。

正如《自然》杂志所解释的那样，关键事实是食用色素是一种两组分的液体。在这种流体中，两种不同的化合物共存，同时保留各自的分子身份

该实验中的液滴由食用色素中天然发现的两种分子化合物组成：水和丙二醇。

研究人员发现这两种分子成分的动态相互作用如何使无生命的液滴模仿活细胞的某些行为。

蒸发很容易理解。在任何液体的表面上，一些分子都会转换为气态并漂浮。

表面张力是导致液体成珠的原因。它是由液体中的分子紧密结合在一起产生的。

水的蒸发比丙二醇快。水也具有较高的表面张力。这些差异在液滴内部产生了类似于龙卷风的流动，这不仅使液滴能够移动，而且还允许单个液滴感知其邻居。

要了解所涉及的分子力，请想象缩小到一定大小并在液滴内潜水。

在那里，水和丙二醇分子试图保持均匀分布，但是蒸发和表面张力的差异会在液滴内造成混乱。

在每个液滴的弧形穹顶上，水分子变得气态并比它们的可避免蒸发的丙二醇邻居更快地漂浮。

这种蒸发更容易在圆顶状液滴的较薄的下边缘发生，从而在其中留下过量的丙二醇。同时，穹顶的水浓度较高。

顶部的水会施加较高的表面张力，以将液滴拉紧，因此不会变平。这种拉扯导致液滴内部的分子滚动运动。因此，表面张力使液滴准备好滚动。

蒸发决定了运动的方向。每个小滴都会像放射状的信号一样发出高空的水分子，宣布任何给定小滴的确切位置。液滴会聚在信号最强的地方。

因此，蒸发提供了感应机制和表面张力，从而拉动了液滴，使它们在眼中看起来像是在小心翼翼地跳动。

研究人员尝试了不同比例的水和丙二醇。 1％丙二醇（PG）对99％水的液滴表现出与PG的三分之二对三分之一的液滴几乎相同的行为。

在这些实验的基础上，本文描述了一种“通用规则”，以识别将表现出感知力和运动性的任何两组分液体。

将颜色添加到混合物中，可以更轻松地分辨出不同浓度的液滴的行为并产生一些视觉上惊人的结果。

在一个实验中，含有更多丙二醇的液滴似乎会追逐含有更多水的液滴。实际上，水滴较多的液滴会施加较高的表面张力，从而拉动丙烯液滴。

在另一个实验中，研究人员展示了物理分离的液滴如何利用如此轻微的蒸发信号使自身对准。

在第三个实验中，他们使用Sharpie笔在载玻片上绘制黑线。线条改变了滑梯的表面，并形成了一系列集水盆。研究人员将不同浓度的流体填充到每个盆中，以建立自分类机制。液滴从一个容器反弹到另一个容器，直到它们感觉到与其浓度匹配的流体并与该池合并。

对两种组分流体的深刻物理理解使研究人员能够预测哪些流体和表面会显示出这些异常的影响。这种作用存在于许多常见的表面上，并且可以用许多化合物复制。

“如果需要是发明之母，那么好奇心就是父亲，” Prakash说道。