内特·西拉在威斯康星大学麦迪逊分校做本科生时，在实验室里看到了一些不寻常的现象。当时他正在用食用色素和水混合，将液滴滴在超洁净的载玻片上——这些液滴似乎在呼吸。它们也在跳舞：多个液滴会四处奔跑，并以复杂的模式相互碰撞。
现在，在斯坦福大学攻读研究生三年后，西拉和他的同事们推导出了这些液滴奇怪行为背后的物理原理。它们运动背后的机制可以帮助科学家理解复杂的运动和相互作用是如何从简单的成分中产生的。
为了弄清楚这些液滴内部发生了什么，西拉和他的合作者，物理生物学研究员马努·普拉卡什和博士后学生阿德里安·贝努西格利奥，在食用色素和水的混合液滴中放置了微小的示踪珠，以便他们可以看到液滴内部的流体流动。然后，他们进行了一系列实验，以观察不同浓度的多个液滴如何相互作用。他们在3月11日的《自然》杂志上描述了他们的发现，这些发现可以解释两种物质的许多不同混合物中的复杂行为。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
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在非常干净的载玻片上，一滴水或食用色素会形成一个扁平的池塘，而不是形成水珠。然而，水和食用色素的混合物形成了圆形的液珠。通过观察示踪粒子的运动，研究人员弄清了原因。当水蒸气从液滴表面蒸发，留下较不易蒸发的食用色素时，颗粒会从液滴中心循环到边缘。然后，由于水的表面张力比食用色素高，中心浓度较高的水会向内拉动液体和颗粒。这种由蒸发过程和两种流体之间表面张力差异引起的连续流动，将液滴固定在原位，使其无法扩散。（从较低表面张力到较高表面张力的流动称为马兰戈尼效应。）普拉卡什说：“这就像一个空转的引擎。存在这种内部流动，但它是完全对称的，因此液滴不会移动。”
将液滴放置在另一个液滴附近会打破这种对称性并使液滴移动：附近液滴排出的水蒸气会减缓最靠近它们一侧的蒸发，因此更多的水会积聚在该侧，从而将液滴向前拉向蒸气的来源，即使距离几毫米。水浓度较低的液滴会冲向水浓度较高的液滴，推动它们前进，并最终融合。
一旦他们弄清了液滴行为背后的物理原理，他们就开始让它们工作。他们用记号笔在玻璃载玻片上绘制了一系列障碍赛道。由于水和食用色素的混合物会避开记号笔的疏水性墨水，因此液滴会沿着轨道的轮廓移动。例如，在环形轨道上，低浓度液滴可以一次追逐高浓度液滴数分钟。在其他轨道上，液滴会自组装成线或有规律地上下振荡。
研究人员还建立了一个类似于硬币分拣机的自排序系统。在该系统中，液滴会沿着一系列记号笔绘制的盒子弹跳，这些盒子包含不同的、多色的混合物，并被高含水量的液滴推开，直到它们找到浓度相同的盒子。此外，通过在多个载玻片上使用液滴，研究人员诱使它们形成液态透镜，这些透镜会自动对齐并聚焦。
西拉在本科生时发现的“呼吸”效应又是什么呢？正是西拉自己呼吸中的水蒸气导致液滴脉冲式地进出。
西拉小组发现的物理过程可能在许多情况下证明是有用的。麻省理工学院的流体动力学家约翰·布什说：“新机制就像工程师可以用来建造房屋的砖块。这是一种美。”他说，很难预测这种发现会产生什么样的应用，但它们可能会有很多；使用少量流体来运输物质是一个不断发展的领域，这解决了使流体固定在原位的一个关键问题。
当两种不反应的液体混合时，只要其中一种具有较高的表面张力且蒸发速度更快，就会形成类似的液滴。（只需问问实验室成员——他们一度尝试了实验室中每种化学物质的组合，其中一些产生了爆炸性结果。）该小组表示，这种混合物最终可能用于微流体装置，通过清洁和干燥来准备绘画表面，甚至在太阳能电池板表面漫游并清洁它。
但真正的吸引力在于展示了来自如此普通成分的复杂性，以及它如何帮助我们理解生命和生物学。“显然这是一个非生物系统，与生物实体所做的相比，它非常非常简单，但它具有感知和运动能力相结合，”普拉卡什说。“这非常强大。”该团队在此处发布了在家中生产液滴的视频说明。