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酷炫动图(二十四):奔跑吧,小液滴!

2019-11-24 作者:科学动态   |   浏览(196)

在显微镜下,一个发着蓝光的“微生物”正在“培养液”中探头探脑地四处移动,它在玻璃片上爬行着,身后拖出一条淡蓝色的薄膜轨迹,仿佛像是一只小小的蜗牛。越是走得远,它的“身体”也愈发缩水,不过不要紧,吞掉沿途的那些小家伙,就能走得更远了。

2009年的一天,当时还是本科生的内特·齐拉(Nate Cira)正忙着自己手上的实验。无意间,他将一些食品色素溶液滴在了经过灭菌的玻璃片上,结果,意想不到的事情发生了:这些彩色的小液滴仿佛突然活了起来,它们在玻璃片上慢慢地聚拢到一起,甚至还彼此追逐了起来。

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进食、运动与排泄,这听起来都像是生物做的事情,不过这个小家伙其实只是研究者们在实验室中制造出的一种没有生命的化学物质复合体。日本同志社大学的盐井章久(Akihisa SHIOI)教授和他的同事们创造出了这种像生命般运动的化学系统。

小液滴的舞蹈迅速吸引了齐拉的注意,随着深入研究,他发现了更多有趣的现象。在划定的轨道上,这些小液滴能够自动排成一行:

图片 3小囊泡在“行走”中逐渐缩小,它的身后拖出了一条淡蓝色的薄膜。

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这些四处移动的“微生物”实际上是由表面活性剂DDAB(双十二烷基二甲基溴化铵)、油酸钠和钙离子等成分组成的囊泡复合体,让它们显示出蓝色的则是荧光标记。虽然不像细胞那样精巧,但它们也有着复杂的内部结构。驱动囊泡们四处游走的,实际上是DDAB与碘离子之间的化学反应:碘离子会替换溴离子,形成难以溶解的产物。

能够彼此追着转圈圈:

在显微镜下,研究者们从玻璃片的一侧注入碘化钾溶液,并让溶液逐渐扩散开来,与囊泡们接触。表面活性剂与碘离子反应的难溶物在囊泡表面形成,它们会聚集到一起,在油酸盐和钙离子存在的环境中,这些反应还能够在玻璃片上形成一层铺展的薄膜,就像是蜗牛爬过留下的轨迹,它也推动着复合体向前移动。随着反应进行,囊泡内的物质不断被消耗,而“吞食”掉那些较小的囊泡能帮助它重获生机。在“吞食”的过程中,小囊泡中的水分被排除,其余成分则会成为四处游走的大囊泡“身体”的一部分。

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图片 6降低溶解度是驱动这种现象的关键,如果加入高浓度的溴化钾,也可以让表面活性剂DDAB的溶解度降低,带来类似的“爬行”现象

它们甚至还能从众多液滴中准确地找到自己的“同类”融入其中:

单是在表面张力的作用下,简单的液滴就可以表现出相当有趣的运动现象。在2015年,内特·齐拉(Nate Cira)等人就报告了含有丙二醇的食品色素溶液液滴互相“追逐”的迷人景象(更多阅读:酷炫动图(二十四):奔跑吧,小液滴!)。蒸发与不平衡的表面张力带来了独特的液滴运动现象,不过盐井教授的实验成果看起来更有生命的味道:他的运动囊泡们能“吃”又能“拉”。

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图片 8成分更加简单的液滴也可以在表面张力的作用下彼此追逐。原视频来自:N. J. Cira et al

这些小液滴身上到底发生了什么?在数年的研究之后,齐拉和他的伙伴们终于公布了小液滴背后的秘密。2015年3月,这一发现刊登在了《自然》(Nature)期刊上[1]

这些像生命般游走的化学系统或许能够帮助研究者们从物理化学的视角理解生命的一些特性,盐井教授等人也为它的应用提出了各种各样的展望:包括微图形化技术、给药系统的设计等等。不过,在欣赏“囊泡小蜗牛”有趣的运动现象的同时,罗马第三大学合成生物学家皮尔·路易吉·路易西(Pier Luigi Luisi)也谨慎地提醒人们,目前,这样的模拟现象还只能在非常特殊的化学环境下实现。(编辑:窗敲雨)

小液滴的舞蹈是从食品色素中发现的,不过,它们的“舞步”其实和颜色没有关系。本质上说,这些液滴其实是由水和丙二醇两种成分组成的溶液,在上面的动图中,不同的颜色表示的其实是不同的丙二醇浓度。而让液滴们动起来的关键,则在于不平均的蒸发与表面张力。

参考资料:

  1. Masato Nakada, Yukihiro Fujikami, Masaharu Kawaguchi, et al. A molecular assembly that crawls on a solid substrate with a metabolic-like process. Mol. Syst. Des. Eng., 2016, Advance Article DOI: 10.1039/C5ME00012B

“脚底抹油”的小液滴

首先,这些会跳舞的小液滴在外形上就很特别。研究者发现,在洁净玻璃片这样的高能表面上,小液滴会形成一个特别的形状。它们既不会完全聚拢形成圆圆的水滴,也不会完全铺展摊平成一片,而是形成了一个“草帽形”的样子:上面依然可以看到水滴的模样,而贴着玻璃片的地方则铺展开了一层薄薄的液膜。

图片 9就是这个样子

有了这层薄膜,小液滴就像是“脚底抹油”了一般。在液体膜的作用下,液滴移动时受到的摩擦力变得极小,很容易就可以动起来。根据研究,不足百万分之一牛顿的力就可以驱使小液滴运动了。

为什么液滴会形成这个特别的模样?详细解释起来会比较复杂,简单来说,这就是表面张力与蒸发造成的微妙平衡。在高表面能的玻璃片上,丙二醇溶液的液滴会受到一个比较大的“界面铺展力”作用,这个力会拉着液滴向外摊平,而同时,液体自身的表面张力又会产生回缩的趋势,这互相抗衡的两方面因素共同决定了液滴的形状。

而在液滴边缘的地方液体比较薄,表面积相对较大,因此在这里,蒸发对溶液成分的影响会更加明显。液滴中的水比丙二醇更容易蒸发,它产生的表面张力也比丙二醇大。在蒸发的过程中,液滴边缘的部分就会变得比中间的部分含水量更少,这里的表面张力也变得更小。表面张力的不平均会拽着液滴发生变化,结果,草帽状的液膜就形成了。

图片 10“草帽形”液滴的形成原理

其实在生活中,酒杯上的“挂杯”也可以看成类似的现象,只不过在这里表面张力的变化是反过来的:液膜中表面张力较小的酒精更容易蒸发,所以剩下的部分表面张力变大了,这使得液体膜收缩,变成了泪珠一般的挂杯。(更多阅读:“挂杯”究竟是什么意思?)

蒸发梯度,让小液滴走到一起

蒸发和表面张力造就了小液滴独特的外形,而将小液滴们拉到一起的,其实也是这两个因素。草帽形的小液滴看起来很安静,但其实内心很“躁动”,在中间和边缘部分表面张力差异的作用下,它的内部就会发生流动,就像下面这样:

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一个单独的小液滴整体受力是均衡的,它不会整个动起来。但当两个液滴相处不远时,情况就不一样了。每一个液滴的身旁都围绕着蒸发出来的水蒸气,越靠近液滴,湿度也就越高,而在两个液滴中间的地方,蒸发的叠加使局部湿度变得更大,而较大的湿度又会反过来抑制水分的蒸发。

图片 12在两个小液滴彼此靠近的一边,水分蒸发会受到抑制。

蒸发减慢,也就意味着中间部分的液膜表面张力没有外面部分下降得那么多,这样一来,小液滴两边的受力平衡也就被打破了。在表面张力的拉拢之下,“脚底抹油”的小液滴也就滑到了一起。

接下来会发生的事情和小液滴中的组分浓度有关。两个组成接近的液滴很容易融合到一起:

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而浓度差异较大的时候,小液滴却会产生“一个追,一个跑”的景象:

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这种现象也与表面张力有关。两个浓度差别较大的小液滴相遇时,在它们接触的地方会首先发生小范围的成分交换,并在中间形成一个成分与张力均介于两液滴之间的区域。表面张力较低区域的液体向表面张力较高区域流动,结果,含水量小(张力小)的液滴倾向于靠近接触区,而含水量大(张力大)的液滴倾向于“逃离”接触区,就造成了“你追我赶”的景象。

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开头处“小液滴找同类”的现象其实也是一样。玻璃片是倾斜放置的,上面彩虹色的液体从红到蓝丙二醇浓度依次降低。后来滴到玻璃片上的小液滴在重力作用下向下滑落,在遇到自己的“同类”之前,小液滴会首先碰到比自己表面张力低的液体,并在表面张力梯度的作用下回缩弹开。最终,遇到与自己浓度相同的液体,并迅速地融合到其中。

图片 16小液滴“找同类”的原理。

这有什么用?

每当看到有趣、不明觉厉的研究结果,人们总会问出这个直击心灵的问题:好看是好看,但研究它有什么用?

当然,满足好奇心足以成为一个名正言顺的答案,不过通过这一发现,我们也找到了控制少量液体在表面上运动的新方法。通过一番设计,它或许就能应用到很多生活场景中。

研究者们也用这些液滴设计了不少有趣的小装置。例如在下图中,通过上方璃片上一圈小液滴的“引导”,就可以在不接触的情况下将下方的红色液滴自由移动位置了。

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无论如何,跳舞的小液滴确实展现了表面张力相当惊艳的一面。在将来,这个小实验或许还会让更多人爱上科学呢。(编辑:窗敲雨)

文中图片及动图素材均来自原论文,示意图利用论文图片重制。

参考资料:

  1. N. J. Cira,  A. Benusiglio & M. Prakash. Vapour-mediated sensing and motility in two-component droplets. Nature 519, 446–450 (26 March 2015) doi:10.1038/nature14272

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