iPon Hírek

Megfejtették a táncoló cseppek rejtélyét

Dátum | 2015. 03. 13.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Nate Cira, a Wisconsin-Madison Egyetem hallgatója néhány évvel ezelőtt valami egészen különöset fedezett fel: az ételfestékkel megfestett vízcseppek egy felületre csöpögtetve bizonyos körülmények között látványos táncba kezdenek, üldözik és kerülgetik egymást, összeolvadnak és szétválnak. Cira, aki jelenleg a Stanford doktorandusza, azóta több száz kísérlet során figyelte meg az érdekfeszítő jelenséget. „Ezek a cseppek érzik egymás jelenlétét, mozognak és interakciókba kerülnek egymással, csaknem úgy, mint az élő sejtek” – mondja Manu Prakash biomérnök, aki egy ideje együtt dolgozik Ciraval a rejtély megfejtésén. Különös jelenségnek látványos voltán túl komoly gyakorlati haszna is lehet, hiszen azt öntisztulásra képes anyagok, például napelemek előállításakor is ki lehetne aknázni. A szakértőknek több évig tartó kísérletezés árán sikerült megfejteniük a jelenség titkát, és rájöttek, hogy a cseppek gyakorlatilag egy élő sejtekben már megfigyelt mozgásformát, a bizonyos molekulák koncentrációkülönbségén alapuló kemotaxis mesterséges formáját művelik. A cseppek két komponensből állnak össze, amelyek keverednek ugyan egymással, de megőrzik saját molekuláris önállóságukat. A dolog kulcsa, hogy ez a két összetevő, a víz és a propilén-glikol eltérő sebességgel párolog (a víz gyorsabban), és felületi feszültségük is különbözik (vízé magasabb).
Ezek az eltérő tulajdonságok forgószélhez hasonló áramlatokat hoznak létre a cseppek belsejében, lehetővé téve azok mozgását, és szomszédaik érzékelését is. A belül zajló molekuláris folyamatok könnyebb megértése érdekében képzeljük el, hogy milyen lenne, ha bele tudnánk merülni egy ilyen csepp belsejébe. Odabent azt látnánk, hogy a víz és a propilén-glikol molekulái igyekeznek egyenletesen kitölteni a teret, a párolgási és felületi feszültségi eltérések miatt azonban ez csak folyamatos mozgás révén válik lehetségessé. A cseppek dómszerű tetején ülő vízmolekulák nagyobb arányban válnak gázneművé és lebegnek el, mint a propilén-glikol. A víz párolgása különösen intenzív lesz a csepp vékonyodó szélei mentén, így ezeken a részeken felhalmozódik a propilén-glikol. Mivel a dóm tetején több víz marad, hiszen a távozó molekulák folyamatosan pótlódnak a csepp belsejéből, a magas felületi feszültség megakadályozza a csepp szétterülését, a belső molekulák mozgása pedig elkezdi gurítani a cseppet. A mozgás irányát a párolgás határozza meg. Minden csepp vízmolekulákat ereget magából a felületen, és ez alapján a jelzés alapján „érzik” a többiek, hogy hol vannak szomszédaik. Gyakorlatilag arról van szó, hogy ha két csepp kellően közel kerül egymáshoz, a belőlük párolgó víz megnöveli a köztük levő levegőréteg páratartalmát, így egymás felé néző oldalaikon lelassul a párolgás, ami felületi feszültségi és a párolgási eltérések összjátékának eredményeként egymás felé tereli a cseppeket.
A találkozáskor a két csepp rögtön összeolvad, ha koncentrációjuk hasonló, ha azonban ez nagyon eltérő, más folyamatok kezdik érvényesíteni hatásukat. A két csepp molekulákat kezd cserélni egymással, aminek hatására köztük lévő rés páratartalma alacsonyabb lesz, mint a vízben gazdag a csepp többi oldalát körülvevő levegőé. Ennek eredményeként a több vizet tartalmazó cseppek „menekülni” fognak a kevesebb vizet tartalmazók elől, ez utóbbi pedig addig üldözi őket, amíg koncentrációjuk a molekulacserék eredményeként kiegyenlítődik. A mellékelt videón látható cseppek esetében a különböző színek különböző koncentrációkat jelölnek, amely nagyban meghatározza, hogyan fognak viselkedni. A magasabb propilénglikol-koncentrációjú cseppek például üldözőbe veszik a több vizet tartalmazókat, míg a vízben gazdagok magukkal vontatják a propilén-glikolban bővelkedőket. Egy másik kísérletben az látszik, hogy az egymástól fizikailag elszeparált cseppek képesek egy vonalba rendeződni pusztán a párolgási jelekhez igazodva. Egy harmadik kísérlet során filctollal felrajzolt kis „tárolókba” helyeztek eltérő koncentrációjú folyadékokat, majd egy cseppet raktak a felületre, amely megkereste a vele egyenlő koncentrációjú folyadéktömeget, majd egyesült azzal.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!