國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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水滴之舞

你追我跑,互相追逐的水滴!

※器材:丙二醇、食用色素、載玻片、酒精燈(或本生燈)、微量吸管、油性簽字筆、鑷子

操作過程與現象

本實驗取自於史丹佛大學生物工程系Cira,Benusiglio & Prakash(2015)發表在2015年3月著名的Nature期刊(參考資料1)。實驗內容相當有趣,總計包含了十個實驗,由於實驗設備的限制,以下介紹六個較為簡易的實驗。溶液配置與準備事項如下:

1.配置1%丙二醇水溶液:取丙二醇(propylene glycol,學名:1,2-丙二醇)1毫升,加入99毫升蒸餾水中。

2.配置25%丙二醇水溶液:取丙二醇25毫升,加入75毫升蒸餾水中。

3.將不同顏色的食用色素三滴,分別加入上述二種水溶液中,混和均勻備用。

4.取乾淨的載玻片,以鑷子夾著在酒精燈(本生燈更佳)火焰上加熱烘烤約半分鐘。

5.載玻片冷卻之後(大約等二分鐘),即可進行以下各項實驗。(注意:載玻片被火加熱的那一面朝上使用)

實驗一 先迎後拒

以微量吸管(pipette)分別吸取丙二醇水溶液,點在載玻片上面,共點二滴(每滴約1微升;μL),相距約一公分,如圖一。仔細觀察,二滴水滴會逐漸的靠近,如圖一的(1)、(2)。但是當二滴水滴接觸之後,高濃度的水滴(淡藍色)會推開低濃度水滴(紅色),如圖(3)。而且淡藍色水滴會持續的推動紅色水滴一直運動,如圖(4)。如果二滴水溶液的濃度相同,則靠近之後二滴水滴會結合成為一滴。

    

實驗二 你追我跑

再配置10%的丙二醇水溶液並染色,成為第三種濃度的水溶液。然後以微量吸管分別吸取不同濃度的丙二醇水溶液,隨機分散的點在載玻片上面,例如圖二的(1)點了二滴紅色水滴,接著點上第二種濃度的水滴,如圖(2),水滴之間就會開始追逐。當點上第三種濃度水滴,追逐會更多樣化,例如圖(3),淡藍色(25%)追逐深藍色(10%),深藍色則追逐紅色(1%)。

   

實驗三 齊頭並進

以油性簽字筆在載玻片上畫數條直線,如圖三,直線之間相距約4毫米。以微量吸管吸取25%的丙二醇水溶液,分別點在不同的位置。結果,每滴水滴會逐漸的移動,並自動地排列為一直線喔!(註:載玻片要保持水平)

         

實驗四 水滴圓舞曲

以油性簽字筆在載玻片上畫圓圈,如圖四,跑道寬度約7毫米。然後以微量吸管吸取1%、25%的丙二醇水溶液,分別點在跑道中(相距約1公分以內)。結果高濃度的丙二醇液滴(淡藍色)就會推動低濃度液滴(紅色),一直跑圈圈(五圈以上),有如跳圓舞曲。

    

實驗五 彈跳水滴

以油性簽字筆在載玻片上畫長方形凹槽,如圖五,凹槽寬約4毫米,並垂直放置。然後以微量吸管吸取25%的丙二醇水溶液(淡藍色),滴在凹槽底部。接著再吸取1%的丙二醇水溶液(紅色),滴在上方,如圖五(1)。

仔細觀察,低濃度的紅色水滴會被往上推動,如圖五(2)。紅色水滴往上運動約5毫米,然後由於重力而往下掉,如圖五(3)。紅色水滴掉下來碰到淡藍色水滴時,又會再次被往上推動,如圖五(4)。如此反覆,紅色水滴上上下下的一直運動喔!

Cira,Benusiglio & Prakash(2015)的研究將低濃度水滴滴在下面,高濃度的在上面,與本實驗相反。版主實驗無法成功,必須相反才行。後來閱讀該文獻的補充資料,發現原文獻是筆誤,確定低濃度水滴在上面,高濃度水滴在下面。

     

實驗六 物以類聚

以油性簽字筆在載玻片上畫三個凹槽,每個凹槽寬約4毫米,如圖六。凹槽由下到上分別滴入1%(紅色)、25%(淡藍色)、40%(黃色)的丙二醇水溶液,然後將載玻片傾斜約45度直立。

首先以微量吸管吸取紅色(1%)水溶液,點在最上方(越小滴越好),如圖六(1)。結果,紅色水滴往下滾動,分別經過黃色與淡藍色的凹槽,然後掉進紅色凹槽中,如圖六(2),水滴似乎認得自己的家哩!再以淡藍色水滴進行實驗,結果淡藍色水滴也會認得自己的家,掉進第二個凹槽喔!如圖六(3)、(4)。

     

觀看實驗影片(29.7M)

原理

2009年威斯康辛大學的學生Nate Cira,有一次在消毒過的玻片上滴了幾滴食用色素,意外發現色素水滴會運動。Cira自己反覆的實驗並研究這個現象,二年後成為史丹佛大學的研究生之後,他與Prakash教授分享這個現象,Prakash教授立即被這個實驗所吸引,並招募博士後研究員Adrien Benusiglio成為研究團隊一員。研究團隊花了三年的時間,擴展與精緻化實驗,並探索這些小水滴如何交互作用與運動,最後在2015年發表了研究成果(參考資料2)。

Prakash教授表示;本實驗的水滴的行為,有如活細胞的「趨化性」(Chemotaxis)。例如細菌會趨向有較高食物分子濃度的地方運動,或遠離有毒的地方。「正趨化性」指趨向較高化學物質濃度的運動,而「負趨化性」則相反。

本實驗的水滴會運動的原理,主要是因為「表面張力(γ)」的差異所造成。因為表面張力差異而造成運動的現象相當常見,例如在水面灑上滑石粉(或胡椒粉),以洗碗精或清潔劑插入水面中央,滑石粉就會迅速往周圍散開!(如圖七)。這是因為清潔劑使水的表面張力變小,而周圍的水的表面張力較大,因此拉扯滑石粉往周圍散開。換言之,流體會由「低表面張力」往「高表面張力」的方向運動,此現象稱為「馬蘭哥尼效應」(Marangoni effect)。本實驗的水滴會追逐運動,即是因為丙二醇不同濃度造成的表面張力之差異所引起。

 

首先說明水滴在載玻片上的特徵;處理過(較乾淨)的載玻片的表面張力較大,會將水滴拉為扁平狀(如圖八左),而且水滴周圍有一層「薄膜」。沒有處理過的載玻片則表面張力較小,水滴成為圓珠狀而且沒有薄膜(如圖八右)。此外由顯微鏡觀察,可以發現處理過的玻片上的水滴,水的流動由外側底部沿著外圍往上流動,再由頂部中央往下循環流動(圖八左)。此現象的原因是:由於水滴中含有水以及丙二醇,水比丙二醇更容易蒸發(水的蒸氣壓為丙二醇的100倍),而薄膜有較高的表面積/體積比,水分蒸發更多,因此薄膜中的丙二醇濃度略高於水滴本體,此濃度差異造成了「表面張力梯度(gradient of surface tension)」,亦即薄膜的表面張力相對較小(因為含水量較少),因此形成水由外側底部沿著外圍往上流動的情形。此特性使得處理過的玻片上的水滴,具有高的移動性(high mobility),使得微小的作用力能發揮影響運動的效果。

當二個水滴相距一定距離時會互相吸引,主要是水滴之間的水蒸氣濃度因為累積而增加,周圍的蒸氣增加,就降低了水的蒸發,如圖九(朝上箭頭為水的蒸發量),所以「水滴之間」的薄膜內所含的水量相對增加(丙二醇濃度則降低),表面張力則增加了。相對的,外圍二側的丙二醇濃度較高,表面張力較小,因此形成了水滴互相接近的運動(圖九紅色箭頭)。

至於不同濃度的水滴接觸後,高濃度丙二醇會推動低濃度,原理如圖十,因為高濃度丙二醇水滴的含水量較少,所以表面張力小於低濃度水滴,因此運動方向朝向低濃度丙二醇水滴。

 

叮嚀的話

1.由於空氣中的相對濕度會影響水滴的蒸發,進而影響水滴的運動情形,因此進行本實驗時,建議使用空調或除溼機,降低空氣的相對濕度。而且避免開電風扇或是空氣流動(例如太靠近載玻片吹氣)。Cira,Benusiglio & Prakash(2015)的研究使用了隔離箱並嚴格控制空氣的相對濕度(相對濕度控制為45%)。

2.不是所有的玻璃都可以當為本實驗的玻片使用,因為表面張力有差異,建議使用顯微鏡使用的載玻片較佳。如果是新購買的載玻片,不必清洗,直接依實驗步驟使用即可。

3.由於一般的滴管口徑太大,滴出來的液滴體積過大,實驗效果較差(運動現象較不明顯),建議使用至少達10微升的微量吸管。如果經費有限,可嘗試使用毛細管吸取液滴。

4.本實驗的原理適合高中以上,而國小學生可以進行單純的實驗操作。在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)實驗一中二滴水滴相距的距離,最遠可以達到幾公分還是可以互相吸引呢?(2)實驗三的水滴自動排成一列,改變線條間的寬度以及數量,對實驗結果有何影響?(3)實驗四與實驗五,以油性筆畫的圈圈或凹槽,寬度並不一樣,為什麼呢?(4)分別比賽實驗四與實驗五,誰的水滴繞多圈(實驗四)?誰的水滴彈跳最高(實驗五)?(5)實驗六只設計了三個凹槽,Cira,Benusiglio & Prakash(2015)的實驗則設計了六種不同濃度凹槽(分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%),挑戰一下可以完成三個以上的凹槽的實驗嗎?

參考資料

1.Cira, N. J., Benusiglio, A., & Prakash, M. (2015). Vapour-mediated sensing and motility in two-component droplets. Nature, 519(7544), 446–450.

2.史丹福大學:http://news.stanford.edu/news/2015/march/dancing-droplets-prakash-031115.html

3.Youtube影片:(1)https://www.youtube.com/watch?v=fUHs1gKNkS4

(2)https://www.youtube.com/watch?v=K8Wx2PHIYGI)