小液滴小气泡的区别（被科学家玩出了）
小液滴小气泡的区别（被科学家玩出了）会走迷宫的液滴图片来自 @percolategalactic科学家们关于液滴也研究了很多，比如往水里面滴入一滴液体以后，溅起的液体里面到底包含多少原来液体的成分？两种液体是怎么混合的？液滴与一个完整的液体互相混合的过程，我们可以看到各个部分液体是怎么组成的尽管水滴身上的聚集着人们很多的目光，但在它们身上，科学家们还是玩出了不一样的「花」。
水滴，已经快要被玩坏了。
在大刘的《三体》小说里，水滴代表了高科技。
要说实际一点的用法，利用水滴，我们可以拍摄一段动画广告。
虽然水滴是自由落体运动，快速下落的，但是配合频闪灯光和水滴落下的时间，我们就能只让我们想要的液滴出现，从而呈现连续的动画了
科学家们关于液滴也研究了很多，比如往水里面滴入一滴液体以后，溅起的液体里面到底包含多少原来液体的成分？两种液体是怎么混合的？
液滴与一个完整的液体互相混合的过程，我们可以看到各个部分液体是怎么组成的
尽管水滴身上的聚集着人们很多的目光，但在它们身上，科学家们还是玩出了不一样的「花」。
图片来自 @percolategalactic
会走迷宫的液滴
Droplets in maze
现在人工智能发展地越来越快，造出来一个能够走迷宫的机器早就不算什么新鲜的内容了。比如著名的 DeepMind 公司就曾经开发过一个在迷宫中能够执行搜索任务的 AI，通过观察屏幕上出现的像素，来预测和决定自己下一步的动作。
DeepMind 开发的非监督辅助任务中的强化学习模型，AI 在迷宫中执行搜索任务，上图显示了其如何获取数据并进行分析，最终转化为估值函数
控制液滴来走迷宫这件事情其实也有很多物理学家干过，利用莱顿弗罗斯特现象，当液体接触到远超出沸点的表面时，液体的表面会在高温的作用下迅速汽化形成一层有隔热作用的蒸汽，从而令液体沸腾的速度大大减慢。如果我们把高温的表面做成有一定倾斜角的锯齿状的话，那蒸汽就会推动液体向前移动了。
莱顿弗罗斯特现象，在往高温，远超出液体沸点的表面上滴液滴时，液滴并不是像我们想象的快速蒸发掉，而是会在表面和液滴之间形成一层薄膜从而阻止其蒸发。如果表面并不平整，那么这层空气薄膜还会推动液滴运动
只要设计好特定的倾斜角度和路线，我们就可以让液滴沿着任意的轨迹前进。
通过在不同的地方放置不同方向的斜面，在上述效应的作用下液滴就会定向运动了
当然，这样走迷宫确实有点作弊，我们相当于已经提前告诉液滴该怎么走了。那有没有什么不作弊的方法呢？物理学家其实研究过利用浓度来驱动液滴移动。
他们研究的不再是水滴，而是研究了癸醇液滴在覆盖有癸酸钠水溶液玻璃表面的运动。[1] 不同的 NaCl 浓度梯度驱动着液滴往不同的方向移动。而且，这个过程还是可逆的。在不同的地方放置 NaCl，癸醇液滴就可以在玻璃板上来回的移动。这个现象其实和在纸船背后放上一个肥皂，在表面张力的作用下纸船会前进的现象有点类似。
上图为实验示意图，在不同时刻不同位置放置 NaCl ，癸醇液滴始终会发生运动，这个运动过程是可逆的。图片修改自 Langmuir 2014 30 (40) pp 11937–11944
物理学家们对这一过程研究地十分全面，评估了产生这个运动所需要的时间和迁移速度，以及其余癸酸钠溶液浓度和 NaCl 浓度梯度的函数关系。 这个关系不仅仅在上面展示的直直的玻璃板上起作用，在十分复杂的环境中，癸醇同样可以沿着形成的浓度梯度迁移。
在 NaCl 梯度的作用下，癸醇液滴沿着正确的方向通过迷宫，走向终点。图片截取自作者论文 Langmuir 2014 30 (40) pp 11937–11944 的补充材料
假如我们在迷宫的出口处放上 NaCl，那么在迷宫内会自然地建立一个完整的单向的浓度梯度，从起点指向终点。对于那些错误的道路，因为内部封闭，所以浓度一定比正确的道路的浓度低，从而液滴不会沿着错误的道路前进。从最后结果来看，液滴一路小跑奔向了重点，就像它已经预知了迷宫的正确路径一样。
这种反应其实也有很多实际的意义，比如跨越复杂的环境定向携带和释放化学物质，实现对于浓度梯度的选择性，或者用于液体分类等。
怎么玩出「花」
Flowers
利用声波可以控制水流的方向
从牛顿时代开始，人们就认识到声音是一种波，由空气的疏密变化导致的。牛顿当时还建立了模型计算得到声速为 298 m/s，比起现代的实测值小了 15% 左右。如果声音在空气中传播形成驻波，声场中的压强对液滴施加的压力与液滴之间的重力存在力平衡，从而可以悬浮在空中。在一些情况中，在声场和液体表面张力的双重作用下，液体会形成圆盘一样扁扁的形状，而不是一个圆圆的球。
在声场的作用下，液体变成了一个圆盘 [2]
静止的情况下是这样的，但是如果我们再周期性的改变声场的场强，也就是声波的大小，则可能会破坏这种圆盘的形状。此时会在圆盘的最外缘形成周期性的波浪，这个波浪沿着圆盘边缘传播，从视觉上来看，液滴变成了星形，有突出的地方。
在振动的过程中可以看到明显的波峰和波谷，因为其具有两重旋转对称性，我们将其标记为 2nd Harmonic（第二简谐模式）[2]
因为产生的波实际上要满足周期性的条件，也就是转一圈以后这个波是回到原位，所以这个波也是驻波，我们可以清晰地看到波节和波腹，也就是最肥宅最懒得动的地方和最活泼好动的地方。这种星型有很多种模式，通过计算我们可以知道特定的振动频率和振动的波形，液体表面张力，液体密度和圆盘的半径之间的关系。
圆盘边缘振动的本征频率公式
从公式中，我们可以看到 n 的取值其实比较随意，在我们仪器允许的调节范围内，我们可以得到丰富的图案。
第 3 简谐振动模式，振动具有三重旋转自由度，每转过 120 度图案和原来的图案重合。[2]
第 5 简谐振动模式，振动具有五重旋转自由度，每转过 72度图案和原来的图案重合。实际上在参考链接 [2] 中作者给出了更为丰富的比如四重对称，六重对称以及更高阶的振动图样，甚至非线性振动的图样。
高射炮打液滴
Is it wasted？
所谓的高射炮打蚊子——大材小用，就比如我们制造出了一个超疏水的材料，它永远都不会被打湿，然后我们把这种材料做成一把刀用它来切水……
大家都知道一段歇后语，高射炮打蚊子——大材小用，但是对于那些「无聊」的物理学家们来说，拿高射炮打蚊子其实还是一件很有趣的事情。这个故事发生在 2016 年，我先来解释一下这个「大炮」是什么。运动的电荷会产生电流，而电流会在周围产生电磁场，而变化的电流则会产生电磁场，从而辐射出电磁波。当辐射出的电磁波的能量高到一定程度，就是我们说的 X 射线了。而位于美国斯坦福大学的直线加速器相干光源 LCLS（Linac Coherent Light Source）——世界上第一台硬 X 射线（能量更高的 X 射线）自由电子激光器[3]，正是我们手里的「大炮」。
看起来很像一把钥匙的 LCLS 装置，科学家利用高能的 X 射线穿透材料，探测和测量材料的各项属性
而那个可怜的蚊子，是只有 40μm 大小的水滴，我们一根头发的直径都有 100μm。[4]
利用多次重复拍摄得到的液滴被 X 射线照射以后的动力学过程. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory
由于激光脉冲拥有巨大的能量，瞬间就可以把水滴蒸发。蒸发以后的水蒸气推动着周围的水滴逐渐崩溃。其实上面这张动图的拍摄也颇为不易。实际上，上面这个过程是实验人员重复做了上百次的实验，真是可怜这些「蚊子」了，被打爆打爆不断地打爆。在打爆的过程中，需要先使用不同延迟的超快激光来照亮液滴，再用高分辨率的显微镜照个相。每次的过程都只能拍一张照，最后将所有的照片放在一起才合成出来的完整的视频。[5]
利用多次重复拍摄得到的连续的水流被 X 射线照射以后的动力学过程. 由于高温水蒸气的推动 我们看到液体在图中变成了伞状. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory
当然，物理学家们射「蚊子」并不是为了好玩，而是因为如果我们有其他样品需要接受这台机器 X 射线的照射的话，一般都是用液体作为载体。把整个液体的过程研究清楚了，研究人员才能够更进一步地控制实验条件，打爆更多的蚊子。
其实……
Finally
把熔融的金属液滴丢到水里面也挺好看的
* 文中未特别注明的图片均来自 Giphy 以及 Reddit
* 参考文献以及链接：
[1] Dynamics of Chemotactic Droplets in Salt Concentration Gradients Langmuir 2014 30 (40) pp 11937–11944
[2] Video from the paper "Shape oscillation of a levitated drop in an acoustic field" by W. Ran & S. Fredericks (Clemson University Department of Mechanical Engineering)
[3] 美国直线加速器相干光源 LCLS
[4] 物理学家如何玩转一根头发丝
[5] First movies of droplets getting blown up by x-ray laser
编辑：Cloudiiink
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