你所在的位置: 首页 > 正文

毫米大小的水滴里竟然有一个实验室

2019-08-12 点击:1666
?

科学庭院

在大理石方面,每个人都应该熟悉。当我还是个孩子的时候,几个好朋友放学后聚在一起玩他们心爱的大理石,或者相互碰撞,或者先把大理石打进洞里,他们就可以玩得开心。在这种情况下,我相信它已成为许多朋友难忘的回忆。

今天,庭院呃想要推出一个特殊的大理石“液体大理石”。顾名思义,用于制作这种大理石的材料不是大理石或玻璃,而是液体。

如何准备液体大理石?

很简单,只需将一滴水滴在覆盖有聚四氟乙烯颗粒的板上,然后摇动板,让水滴几次。水滴表面将覆盖特氟隆颗粒。这时,我们会惊讶地发现,这滴水变得像一块小石球,在固体表面上自由滚动,没有任何阻力。在这一点上,我们得到了一个液体大理石。通过改变表面材料,我们还可以获得各种大理石。

下图显示了三种不同的液体大理石。表面上的固体颗粒是聚四氟乙烯(A),石松孢(B)和炭黑(C)。前两种固体是疏水性材料,炭黑略微亲水。

2e03-iaqfzyw.jpg

这里提到的PTFE是着名的不粘涂层Teflon。聚四氟乙烯的特点之一就是不容易让水进入其表面,但是在制备液体大理石时如何遇到水滴,并且它们会主动“粘住”它们?

要理解这些看似矛盾的现象,我们必须了解问题的本质。

形成液体大理石取决于表面能

同样的水滴,为什么容易在一些材料表面上蔓延?例如,在干净的玻璃上,是否会在Teflon等表面上保持原始的液滴形状?

这最终是能量的无形“手”的结果。

在固体内部,构成它的分子或原子总是被“自身”包围,但在固体表面上,这些原子或分子必须面对“异”的空气分子。这会产生额外的能量,我们称之为表面能量。它可以理解为创建新表面所需的能量。就像高处的物体自由落下以降低重力势一样,系统总是试图最小化其表面能量。

如果在固体表面上施加一层水,则固体表面虽然不与空气接触,但会与水接触,而水分子与空气分子保持接触。因此,原始固 - 气界面的表面能被固 - 液界面和液 - 气界面的表面能代替。

款而言,它可以被水渗透。这种固体,我们称之为亲水材料。

相反,对于诸如聚四氟乙烯的固体,与水的接触并不比与空气的接触强很多。此外,增加了水和空气界面的表面能,并且总能量不会下降,因此没有必要这样做。因此,当我们在Teflon表面放一滴水时,虽然重力仍会导致液滴扩散,但当液滴足够小时,重力的“说话权”变得可以忽略不计,此时液滴仍然会尽可能地保持原始球体。像这样的固体,我们称之为疏水材料。

但是当我们看到液滴的视角时,我们会发现问题是不同的。

PTFE表面上的水滴不是完全球形的,而是变形以接触固体表面。这意味着对于水,即使它与疏水表面接触,它也优于与空气接触。因此,水滴实际上“欢迎”聚四氟乙烯颗粒留在它们的表面上。

当然,我们还需要考虑一部分Teflon颗粒的表面区域中与空气接触以与水接触的表面能的变化。但理论计算告诉我们,在这种情况下,即使对于聚四氟乙烯等疏水性固体材料,总表面能仍然会降低。结果,特氟隆颗粒被吸附在水的表面上,形成我们以前见过的液态大理石。

有趣的是,如果固体颗粒太亲水,则不容易形成液体大理石。这是因为它们与水的“亲和力”太强,而且它们常常不满足于停留在水面上,而是“进入液滴内部”。

那么液体大理石有什么有趣的特性呢?

阻隔液接触固体表面

固体表面具有亲水性疏水性部分,并且在亲水性表面上,水滴应倾向于扩散成薄膜。然而,如果我们将水滴转变成相应的液体大理石,即使在其他亲水表面上,水滴也将保持球形并且看起来是疏水表面。只有当水的体积增加到一定程度时,水滴才会从球体变成椭圆体,好像液体最终渗透到固体中,但实际上这只是由重力引起的变形。

出现这种现象的原因是水滴表面被一层固体颗粒覆盖,并且颗粒和夹在其间的空气阻碍了水与其它固体表面的接触,因此亲水性和疏水性的规律不再适用。

cc37-iaqfzyw0978787.jpg不同体积的液体大理石及其在玻璃表面上的形态。图(a)和(b)中的液滴体积为15微升,图(c)中的液滴体积为1毫升。 Syuji Fujii等,Langmuir,2011,27,8067)

液态大理石不仅有效地将液体与固体表面隔离,而且还防止其中封闭的液体与其他液体接触。例如,在一杯水的表面放一滴水,无论我们如何小心操作,水滴都会迅速流入“海洋”。然而,如果水滴首先被转换成液体大理石然后放置在水面上,则两者不仅会合并,而且液体大理石也可以通过水的表面张力漂浮在水面上。

更有趣的是,众所周知,碳酸钠和氯化钙的混合物反应形成水不溶性碳酸钙,但如果将由氯化钙水溶液制成的液体大理石置于碳酸钠水溶液的表面上,两者都可以长时间“和平共存”,直到我们用针刺穿液体大理石的表面,并且观察到形成白色沉淀物。 (如下图所示)同样,如果你将两个液体大理石放在一起,如果你用力挤压它们,它们就不会熔化成更大的液体大理石。这些实验强烈建议液体大理石有效地阻止液体与固体或其他液体表面的接触。

b702-iaqfzyw0978857.jpg液态大理石(a)的氯化钙溶液漂浮在碳酸钠水溶液中,直到针头破裂,两种液体接触形成碳酸钙沉淀物(b)。图(b)中的另一种白色粉末是用于形成液体大理石的聚偏二氟乙烯。 Edward Bormashenko等人,ChemPhyChem 2009,10,654)

从上面的例子中,不难看出液态大理石的性质与石头和玻璃制成的大理石相似。那么液态大理石有什么有趣的特性可以帮助我们呢?

液体大理石:“微型实验室”

液体在我们的生活中起着不可替代的作用。大量的物理、化学和生物过程,包括生命现象,都必须以液体或溶液的形式进行,所以毫不夸张地说,离开液体,我们将无法移动。然而,由于液体挥发和易流动的特点,如何操作液体已成为许多实际应用中的一大挑战。此时,液态大理石已成为一个好帮手。

液态大理石能有效防止包裹在周围固体或其他液体中的液体接触,但不能将液体与环境完全隔离。

例如,通过表面固体颗粒之间的空隙,液态大理石内部的液体仍然可以挥发到空气中,外部环境中的气体也可以渗透或溶解到液态水滴中。通过滴管、针等工具,我们也可以直接在液体大理石中添加或提取液体,而不会影响整个结构的完整性。

这些特点使液态大理石成为一个微小的“实验室”或“化工厂”。在不担心液体损失或污染的情况下,我们只需要很少的材料来进行关键分析、测试等。周围环境。让我们来看几个例子。

许多气体会对人体健康造成危害,通过液体大理石,我们可以在早期发现环境中有害气体的存在。例如,2010年,澳大利亚的研究人员将荧光染料的水溶液制成液态大理石。在紫外线照射下,液态大理石可以发出绿色荧光,但是如果高腐蚀性酸性气体氯化氢溶解到液滴中,则荧光染料的化学结构发生变化,荧光的颜色从绿色变为蓝色。通过颜色的变化,我们可以感知环境中氯化氢的存在,从而防止它。

在另一个例子中,研究人员将氯化钴水溶液制成液体大理石。如果环境中存在氨,溶解在液体大理石中的氨将与钴离子结合,改变液体大理石的颜色,提醒我们存在有害气体。由于液体大理石即使彼此相遇也不会相互融合,我们可以将这些不同种类的液体大理石放在一起,以有效地监测各种有害气体。

988b-iaqfzyw0978936.jpg液体大理石检测有害气体:图(a)和图(b)分别是在可见光和紫外光下观察到的某种荧光染料水溶液的液体大理石;图(c)显示了与氯化氢气体接触后的液体大理石。在紫外线下观察的结果。 Junfei Tian et al.Chemical Communication,2011,46,4734)

在生物医学实验室中,也可以使用液体弹珠。

输血是一种医学上重要的治疗和急救,但不相容的血型可导致溶血,这可能危及患者的生命。因此,有效和快速检测血型在临床上是至关重要的。为了实现这一目标,上述澳大利亚研究团队成功开发了一种使用液体大理石的血型检测系统。

他们将少量血液制成液体大理石,并为这些大理石添加了特异性抗体。血液大理石的颜色本质上是均匀的,但是如果相同血型的抗原和抗体相遇,则引起血液凝聚,使得液体大理石呈现两层显着不同的颜色。通过这种方式,我们可以通过一些简单的操作来确定血液样本的血型。

698b-iaqfzyw0979050.jpg使用液体大理石检测血型。该图显示了将四种血型A +,B +,O +和O-的液体大理石分别与三种抗体A,B和RhD混合的结果。复选标记表示血液中存在相应的抗原,导致液体大理石外观的显着变化。 Tina Arbatan等人,Advanced Healthcare Materials,2012,1,80)

以上两个例子是实际应用中液体大理石价值的一个很好的例子。

但科学家们更感兴趣的是如何更好地利用外部刺激以液体大理石的形式操纵液体。

例如,四氧化三铁是磁性物质。如果它的颗粒被水滴表面覆盖,我们就会得到具有磁性的磁性大理石。这种液态大理石可以在磁铁的作用下卷起和卷起。当磁体靠近液态大理石的侧面时,均匀分散在液滴表面上的磁性颗粒被磁铁吸引到端部,从而液态大理石的表面开口间隙。

通过这个空隙,我们可以轻松地添加反应物或将反应产物提取到液滴中,甚至可以将诸如电极的探针插入液滴中进行实时分析和测试。在完成这些操作之后,只要移除磁体,收集的磁性颗粒可以均匀地重新分布在液体大理石的表面上以保护液滴。

2e08-iaqfzyw0979102.jpg

如果我们对磁性液体大理石施加旋转磁场,它们会像实验室常用的磁力搅拌器一样转动。如果液滴内部含有固体颗粒,在旋转过程中,在离心力的作用下,它们将与液体分离。

你看,通过液体弹珠,我们得到了一个微型离心机。如果这种磁性液体大理石在另一种液体表面旋转,通过测量液体大理石能够达到的最大转速,我们可以推断与液体大理石接触的液体的粘度。

结论

这么小的液态大理石可以帮助我们实现这么多的功能!

怎么,液态大理石既不好玩又不实用?我相信随着研究的进展,科学家们将从液态大理石中获得更多的灵感,更好地服务于我们的生活。

0×2522个

睢宁新闻网 版权所有© www.jltsb.com 技术支持:睢宁新闻网 | 网站地图