核心概念
物理
混合物
材料科學
水滴
引言
你有沒有觀察過窗戶上的雨滴，看它們移動並順著玻璃滑落？觀察它們中一些獨自停在那裡，而另一些則結合起來形成更大的水滴，這非常有趣。你有沒有想過是什麼讓它們以不同的方式移動和表現？控制和影響液體在表面上的鋪展，即所謂的“潤溼”，實際上對於很多事情都很重要——不僅僅是觀看下雨。在某些情況下，你可能希望表面排斥液體；想想你的防水外套就是一個例子。另一些時候，你需要液體均勻地鋪展在表面上，例如牆壁上的油漆。但是，你能預測一滴水在特定表面上會做什麼嗎？它會鋪展開來還是形成水滴？如果液體不僅是水，而是不同成分的混合物，那就更復雜了。有時結果可能非常出乎意料，甚至令人著迷。嘗試這個活動，親眼看看吧！
背景
是什麼決定了液體在表面上的行為？答案似乎很簡單：這取決於液體和表面。不同的表面具有不同的分子結構，這導致它們對水或其他液體具有不同的親和力。吸引水的材料，例如干淨的玻璃，被稱為親水的，意思是喜歡水的，水很容易在它們上面鋪展開來。其他表面，例如特氟龍或植物葉片，則表現出相反的行為，是疏水的，意思是水會在它們的表面上形成圓形水滴。水滴在特定表面上的形狀實際上可以告訴你很多關於它所在材料的特性。
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在液體中，表面張力是造成液滴形狀的特性。它是這樣工作的：液滴內部的液體分子想要依附於周圍的鄰居。這使得液體內部的分子粘合在一起。然而，在表面，周圍的液體分子較少，這導致表面分子之間形成更強的鍵合。由於它們主要被下方的分子向內拉，所有表面分子都有助於“抱在一起”形成液滴。你可能已經見過表面張力作用的例子而沒有意識到：雨後窗戶或植物葉片上的小水滴——或者水黽在水上行走只是其中的一些例子。在這個活動中，你將探索表面張力作用的另一個例子，並且你將發現其他因素也會影響水滴的行為。準備好迎接一些色彩繽紛的水滴行動吧！
材料
成人助手
水
紙巾
白紙
顯微鏡載玻片和鉗子（可選）
耐熱、平坦的玻璃表面，例如 Pyrex 玻璃托盤或烤盤（狀況良好，沒有裂縫）
液體食用色素（主要成分是丙二醇）
滴管
烤箱手套
燃氣灶或野營爐或固體酒精爐，配以火柴或打火機（務必在適當的區域並採取適當的預防措施使用熱源；始終遵循所有制造商的說明。）
酸奶容器蓋或蠟紙
安全眼鏡（保護實驗者和觀察者的眼睛）
紙巾
一張白紙
永久性記號筆（可選）
準備工作
在你的工作區域鋪上紙巾或其他可以弄髒的保護層。
拿起滴管，在塑膠酸奶蓋或蠟紙上滴一排五個水滴。它們的大小應該大致相同。
選擇一種顏色的食用色素（藍色、綠色、紅色或黃色），然後從瓶子裡滴一滴濃縮食用色素在水滴旁邊。
用滴管從你那排旁邊的濃縮食用色素滴中取少量，然後將其放入該排的第一個水滴中。透過用滴管吸入和擠出水滴來混合它。
現在用滴管吸取少量第一個水滴，並將其混入該排的下一個新鮮水滴中。
對所有五個水滴重複此操作。最後，你應該有一排六滴不同濃度的食用色素水滴。
用清水沖洗你的滴管。
用新的一排五個水滴和另一種顏色的食用色素（藍色、綠色、紅色或黃色）重複整個混合過程。確保在顏色之間用清水沖洗你的滴管。暫時將酸奶蓋放在一邊；你稍後將在活動中需要食用色素水滴。
讓你的成人助手點燃野營爐或燃氣灶。如果你沒有這兩者，用火柴或打火機點燃固體酒精爐並使用這個火焰。處理明火時要格外小心。檢查你周圍環境的安全，並將散落的頭髮紮起來。
讓每個人都戴上眼睛保護裝置。
讓你的成人助手用烤箱手套拿著耐熱玻璃盤。將底部平坦區域的一部分（三釐米乘六釐米的區域就足夠了）緩慢地透過燃氣灶或野營爐火焰約 30 到 45 秒。火焰應接觸玻璃。如果你使用固體酒精爐，將平坦的玻璃表面透過火焰約一到兩分鐘。確保玻璃接觸火焰。記住你的盤子上哪個位置接觸火焰——你將在你的活動中使用這個區域。（注意：當玻璃透過火焰時要小心。玻璃內部微小的微觀裂縫可能會使其在暴露於熱時破碎。務必僅使用耐熱或耐高溫玻璃盤，所有旁觀者都應配備眼睛保護裝置，例如安全眼鏡。）
或者，如果你有顯微鏡載玻片，用鉗子夾住它們，然後在火焰中透過 30 秒（燃氣灶或野營爐）或一分鐘（固體酒精爐）。
小心，玻璃會非常燙。小心地將玻璃盤或顯微鏡載玻片放在你的工作區域。（透過火焰的一面應朝上。）讓玻璃冷卻約 10 分鐘。
步驟
一旦你的玻璃冷卻了一點，在你的工作區域鋪上一張白紙。接下來，將你仍然溫熱的玻璃盤或顯微鏡載玻片放在紙上。記住朝向火焰的區域應該朝上。
使用你沖洗過的滴管，在玻璃表面滴一小滴純水。水滴會發生什麼？它會在表面鋪開還是保持水滴形狀？
用滴管，現在從你的酸奶蓋或蠟紙上取一小滴濃縮食用色素（選擇任何顏色），小心地將其放在玻璃上。這個水滴表現如何？它看起來與純水滴不同嗎？你注意到兩個水滴之間有其他區別嗎？
現在將另一滴相同的濃縮食用色素水滴放在玻璃上的另一個濃縮食用色素水滴旁邊。它們不應該接觸，但應該彼此靠近（大約三到六毫米的距離）。這兩個水滴表現如何？它們在移動還是靜止？如果它們在移動，它們朝哪個方向移動，它們會發生什麼？ （提示：如果你沒有看到任何事情發生，你可能沒有充分加熱玻璃表面。擦拭玻璃並嘗試再次將玻璃表面透過火焰，確保將火焰集中在一個區域並給予足夠的時間。它最適合顯微鏡載玻片，但耐熱玻璃盤的平坦表面也可以使用。你也可以嘗試將水滴放在加熱玻璃表面的不同位置——有些區域可能比其他區域效果更好。）
沖洗你的滴管後，取另一滴濃縮食用色素（選擇任何顏色）並將其放在溫熱的玻璃表面上。
務必再次沖洗你的滴管。然後，從你的酸奶蓋或蠟紙上的食用色素水滴排中，選擇濃度最低的另一種顏色的水滴，並將其放在玻璃上的濃縮食用色素水滴旁邊，使兩個水滴都不接觸。這兩個水滴是否表現出與兩個濃縮食用色素水滴相同的行為？你看到任何差異嗎？它們表現有何不同？
現在從你的酸奶蓋或蠟紙上選擇幾種顏色和濃度的食用色素，並將許多不同的小水滴隨機地放在你的溫熱玻璃表面上。在更換顏色或濃度之前，務必沖洗你的滴管。嘗試也製作不同大小的水滴。不同的水滴會發生什麼？顏色或濃度會改變它們的行為嗎？你能看出任何行為模式嗎？
額外內容：你能想到其他方法來影響你的水滴在玻璃或任何其他表面上的行為嗎？它們不會在每個表面上都跳舞，但你可以嘗試玩水滴的形成和鋪展。想想諸如你的雨衣面料、植物葉片、塑膠或木桌之類的表面。用肥皂、橄欖油或酒精處理表面會改變水滴的形成方式嗎？如果你改變表面的粗糙度會發生什麼？ （食用色素和油性物質可能會染色，因此在嘗試在不同表面上使用這些液體之前，請務必獲得許可。）
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觀察和結果
你應該在玻璃表面上看到了各種各樣的水滴行為。純水滴可能會鋪展得非常快。用火焰處理玻璃盤或顯微鏡載玻片使表面非常不利於水滴形成，並且更容易鋪展水。然而，濃縮食用色素不僅含有水，還含有一種叫做丙二醇的化學物質。兩種成分的混合物允許形成更球形的水滴，當你將濃縮食用色素放在玻璃表面上時，你應該已經注意到了這一點。水滴表面的水比丙二醇蒸發得更快，同時具有更高的表面張力。這些差異導致水滴內部產生對稱的內部水流，從而穩定水滴並阻止鋪展。
你可能已經看到食用色素水滴在玻璃上漂浮或稍微移動。當將第二個食用色素水滴放在第一個旁邊時，它們會在玻璃上滑動並相互移動。這種吸引力運動是蒸汽介導的，這意味著一個水滴影響了第二個水滴的水蒸發，導致穩定內部水流的不平衡。由此產生的不對稱性啟動了水滴彼此靠近的運動。一旦兩個水滴相遇，它們的水/丙二醇混合物決定了它們的行為。如果混合物相同，兩個水滴會合併成一個更大的水滴，你可能已經看到了。如果你為你的第二個水滴選擇非常不同的食用色素濃度，你可以觀察到一個水滴追逐另一個水滴。這種追逐行為的原因是兩個水滴表面張力的差異。較低表面張力的水滴（食用色素濃度較高的水滴）將追逐具有較高表面張力的水滴（食用色素濃度較低的水滴）。這帶來了一些有趣的觀察：當你將許多不同顏色和食用色素濃度的不同水滴放在你的溫熱玻璃表面上時，你看到你的水滴跳舞了嗎？（點選此處閱讀更多內容，並觀看科學家們解釋舞動水滴工作原理的影片。）
清理
用水沖洗所有玻璃器皿或顯微鏡載玻片，以去除食用色素。清洗你使用的所有其他材料（酸奶蓋、滴管），如果你不打算重複使用酸奶蓋，請回收它。用清水和肥皂清潔你的工作區域，不要忘記洗手。
更多探索 斯坦福研究人員解開舞動水滴的謎團，來自斯坦福新聞 兩種常見的液體自發形成舞動的水滴，來自大眾科學
雙組分液滴中的蒸汽介導的感測和運動 (pdf)，來自自然（大眾科學是自然出版集團的一部分。）
水滴 舞動，來自物理中心
適合所有年齡段的科學活動！，來自科學夥伴
此活動由科學夥伴合作推出
