內特·西拉在威斯康星大學麥迪遜分校做本科生時，在實驗室裡看到了一些不尋常的現象。當時他正在用食用色素和水混合，將液滴滴在超潔淨的載玻片上——這些液滴似乎在呼吸。它們也在跳舞：多個液滴會四處奔跑，並以複雜的模式相互碰撞。
現在，在斯坦福大學攻讀研究生三年後，西拉和他的同事們推匯出了這些液滴奇怪行為背後的物理原理。它們運動背後的機制可以幫助科學家理解複雜的運動和相互作用是如何從簡單的成分中產生的。
為了弄清楚這些液滴內部發生了什麼，西拉和他的合作者，物理生物學研究員馬努·普拉卡什和博士後學生阿德里安·貝努西格利奧，在食用色素和水的混合液滴中放置了微小的示蹤珠，以便他們可以看到液滴內部的流體流動。然後，他們進行了一系列實驗，以觀察不同濃度的多個液滴如何相互作用。他們在3月11日的《自然》雜誌上描述了他們的發現，這些發現可以解釋兩種物質的許多不同混合物中的複雜行為。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
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在非常乾淨的載玻片上，一滴水或食用色素會形成一個扁平的池塘，而不是形成水珠。然而，水和食用色素的混合物形成了圓形的液珠。透過觀察示蹤粒子的運動，研究人員弄清了原因。當水蒸氣從液滴表面蒸發，留下較不易蒸發的食用色素時，顆粒會從液滴中心迴圈到邊緣。然後，由於水的表面張力比食用色素高，中心濃度較高的水會向內拉動液體和顆粒。這種由蒸發過程和兩種流體之間表面張力差異引起的連續流動，將液滴固定在原位，使其無法擴散。（從較低表面張力到較高表面張力的流動稱為馬蘭戈尼效應。）普拉卡什說：“這就像一個空轉的引擎。存在這種內部流動，但它是完全對稱的，因此液滴不會移動。”
將液滴放置在另一個液滴附近會打破這種對稱性並使液滴移動：附近液滴排出的水蒸氣會減緩最靠近它們一側的蒸發，因此更多的水會積聚在該側，從而將液滴向前拉向蒸氣的來源，即使距離幾毫米。水濃度較低的液滴會衝向水濃度較高的液滴，推動它們前進，並最終融合。
一旦他們弄清了液滴行為背後的物理原理，他們就開始讓它們工作。他們用記號筆在玻璃載玻片上繪製了一系列障礙賽道。由於水和食用色素的混合物會避開記號筆的疏水性墨水，因此液滴會沿著軌道的輪廓移動。例如，在環形軌道上，低濃度液滴可以一次追逐高濃度液滴數分鐘。在其他軌道上，液滴會自組裝成線或有規律地上下振盪。
研究人員還建立了一個類似於硬幣分揀機的自排序系統。在該系統中，液滴會沿著一系列記號筆繪製的盒子彈跳，這些盒子包含不同的、多色的混合物，並被高含水量的液滴推開，直到它們找到濃度相同的盒子。此外，透過在多個載玻片上使用液滴，研究人員誘使它們形成液態透鏡，這些透鏡會自動對齊並聚焦。
西拉在本科生時發現的“呼吸”效應又是什麼呢？正是西拉自己呼吸中的水蒸氣導致液滴脈衝式地進出。
西拉小組發現的物理過程可能在許多情況下證明是有用的。麻省理工學院的流體動力學家約翰·布什說：“新機制就像工程師可以用來建造房屋的磚塊。這是一種美。”他說，很難預測這種發現會產生什麼樣的應用，但它們可能會有很多；使用少量流體來運輸物質是一個不斷發展的領域，這解決了使流體固定在原位的一個關鍵問題。
當兩種不反應的液體混合時，只要其中一種具有較高的表面張力且蒸發速度更快，就會形成類似的液滴。（只需問問實驗室成員——他們一度嘗試了實驗室中每種化學物質的組合，其中一些產生了爆炸性結果。）該小組表示，這種混合物最終可能用於微流體裝置，透過清潔和乾燥來準備繪畫表面，甚至在太陽能電池板表面漫遊並清潔它。
但真正的吸引力在於展示了來自如此普通成分的複雜性，以及它如何幫助我們理解生命和生物學。“顯然這是一個非生物系統，與生物實體所做的相比，它非常非常簡單，但它具有感知和運動能力相結合，”普拉卡什說。“這非常強大。”該團隊在此處釋出了在家中生產液滴的影片說明。