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

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（26.5M）

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。

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？

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)