核心概念
物理
混合物
材料科学
水滴
引言
你有没有观察过窗户上的雨滴，看它们移动并顺着玻璃滑落？观察它们中一些独自停在那里，而另一些则结合起来形成更大的水滴，这非常有趣。你有没有想过是什么让它们以不同的方式移动和表现？控制和影响液体在表面上的铺展，即所谓的“润湿”，实际上对于很多事情都很重要——不仅仅是观看下雨。在某些情况下，你可能希望表面排斥液体；想想你的防水外套就是一个例子。另一些时候，你需要液体均匀地铺展在表面上，例如墙壁上的油漆。但是，你能预测一滴水在特定表面上会做什么吗？它会铺展开来还是形成水滴？如果液体不仅是水，而是不同成分的混合物，那就更复杂了。有时结果可能非常出乎意料，甚至令人着迷。尝试这个活动，亲眼看看吧！
背景
是什么决定了液体在表面上的行为？答案似乎很简单：这取决于液体和表面。不同的表面具有不同的分子结构，这导致它们对水或其他液体具有不同的亲和力。吸引水的材料，例如干净的玻璃，被称为亲水的，意思是喜欢水的，水很容易在它们上面铺展开来。其他表面，例如特氟龙或植物叶片，则表现出相反的行为，是疏水的，意思是水会在它们的表面上形成圆形水滴。水滴在特定表面上的形状实际上可以告诉你很多关于它所在材料的特性。
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在液体中，表面张力是造成液滴形状的特性。它是这样工作的：液滴内部的液体分子想要依附于周围的邻居。这使得液体内部的分子粘合在一起。然而，在表面，周围的液体分子较少，这导致表面分子之间形成更强的键合。由于它们主要被下方的分子向内拉，所有表面分子都有助于“抱在一起”形成液滴。你可能已经见过表面张力作用的例子而没有意识到：雨后窗户或植物叶片上的小水滴——或者水黾在水上行走只是其中的一些例子。在这个活动中，你将探索表面张力作用的另一个例子，并且你将发现其他因素也会影响水滴的行为。准备好迎接一些色彩缤纷的水滴行动吧！
材料
成人助手
水
纸巾
白纸
显微镜载玻片和钳子（可选）
耐热、平坦的玻璃表面，例如 Pyrex 玻璃托盘或烤盘（状况良好，没有裂缝）
液体食用色素（主要成分是丙二醇）
滴管
烤箱手套
燃气灶或野营炉或固体酒精炉，配以火柴或打火机（务必在适当的区域并采取适当的预防措施使用热源；始终遵循所有制造商的说明。）
酸奶容器盖或蜡纸
安全眼镜（保护实验者和观察者的眼睛）
纸巾
一张白纸
永久性记号笔（可选）
准备工作
在你的工作区域铺上纸巾或其他可以弄脏的保护层。
拿起滴管，在塑料酸奶盖或蜡纸上滴一排五个水滴。它们的大小应该大致相同。
选择一种颜色的食用色素（蓝色、绿色、红色或黄色），然后从瓶子里滴一滴浓缩食用色素在水滴旁边。
用滴管从你那排旁边的浓缩食用色素滴中取少量，然后将其放入该排的第一个水滴中。通过用滴管吸入和挤出水滴来混合它。
现在用滴管吸取少量第一个水滴，并将其混入该排的下一个新鲜水滴中。
对所有五个水滴重复此操作。最后，你应该有一排六滴不同浓度的食用色素水滴。
用清水冲洗你的滴管。
用新的一排五个水滴和另一种颜色的食用色素（蓝色、绿色、红色或黄色）重复整个混合过程。确保在颜色之间用清水冲洗你的滴管。暂时将酸奶盖放在一边；你稍后将在活动中需要食用色素水滴。
让你的成人助手点燃野营炉或燃气灶。如果你没有这两者，用火柴或打火机点燃固体酒精炉并使用这个火焰。处理明火时要格外小心。检查你周围环境的安全，并将散落的头发扎起来。
让每个人都戴上眼睛保护装置。
让你的成人助手用烤箱手套拿着耐热玻璃盘。将底部平坦区域的一部分（三厘米乘六厘米的区域就足够了）缓慢地通过燃气灶或野营炉火焰约 30 到 45 秒。火焰应接触玻璃。如果你使用固体酒精炉，将平坦的玻璃表面通过火焰约一到两分钟。确保玻璃接触火焰。记住你的盘子上哪个位置接触火焰——你将在你的活动中使用这个区域。（注意：当玻璃通过火焰时要小心。玻璃内部微小的微观裂缝可能会使其在暴露于热时破碎。务必仅使用耐热或耐高温玻璃盘，所有旁观者都应配备眼睛保护装置，例如安全眼镜。）
或者，如果你有显微镜载玻片，用钳子夹住它们，然后在火焰中通过 30 秒（燃气灶或野营炉）或一分钟（固体酒精炉）。
小心，玻璃会非常烫。小心地将玻璃盘或显微镜载玻片放在你的工作区域。（通过火焰的一面应朝上。）让玻璃冷却约 10 分钟。
步骤
一旦你的玻璃冷却了一点，在你的工作区域铺上一张白纸。接下来，将你仍然温热的玻璃盘或显微镜载玻片放在纸上。记住朝向火焰的区域应该朝上。
使用你冲洗过的滴管，在玻璃表面滴一小滴纯水。水滴会发生什么？它会在表面铺开还是保持水滴形状？
用滴管，现在从你的酸奶盖或蜡纸上取一小滴浓缩食用色素（选择任何颜色），小心地将其放在玻璃上。这个水滴表现如何？它看起来与纯水滴不同吗？你注意到两个水滴之间有其他区别吗？
现在将另一滴相同的浓缩食用色素水滴放在玻璃上的另一个浓缩食用色素水滴旁边。它们不应该接触，但应该彼此靠近（大约三到六毫米的距离）。这两个水滴表现如何？它们在移动还是静止？如果它们在移动，它们朝哪个方向移动，它们会发生什么？ （提示：如果你没有看到任何事情发生，你可能没有充分加热玻璃表面。擦拭玻璃并尝试再次将玻璃表面通过火焰，确保将火焰集中在一个区域并给予足够的时间。它最适合显微镜载玻片，但耐热玻璃盘的平坦表面也可以使用。你也可以尝试将水滴放在加热玻璃表面的不同位置——有些区域可能比其他区域效果更好。）
冲洗你的滴管后，取另一滴浓缩食用色素（选择任何颜色）并将其放在温热的玻璃表面上。
务必再次冲洗你的滴管。然后，从你的酸奶盖或蜡纸上的食用色素水滴排中，选择浓度最低的另一种颜色的水滴，并将其放在玻璃上的浓缩食用色素水滴旁边，使两个水滴都不接触。这两个水滴是否表现出与两个浓缩食用色素水滴相同的行为？你看到任何差异吗？它们表现有何不同？
现在从你的酸奶盖或蜡纸上选择几种颜色和浓度的食用色素，并将许多不同的小水滴随机地放在你的温热玻璃表面上。在更换颜色或浓度之前，务必冲洗你的滴管。尝试也制作不同大小的水滴。不同的水滴会发生什么？颜色或浓度会改变它们的行为吗？你能看出任何行为模式吗？
额外内容：你能想到其他方法来影响你的水滴在玻璃或任何其他表面上的行为吗？它们不会在每个表面上都跳舞，但你可以尝试玩水滴的形成和铺展。想想诸如你的雨衣面料、植物叶片、塑料或木桌之类的表面。用肥皂、橄榄油或酒精处理表面会改变水滴的形成方式吗？如果你改变表面的粗糙度会发生什么？ （食用色素和油性物质可能会染色，因此在尝试在不同表面上使用这些液体之前，请务必获得许可。）
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观察和结果
你应该在玻璃表面上看到了各种各样的水滴行为。纯水滴可能会铺展得非常快。用火焰处理玻璃盘或显微镜载玻片使表面非常不利于水滴形成，并且更容易铺展水。然而，浓缩食用色素不仅含有水，还含有一种叫做丙二醇的化学物质。两种成分的混合物允许形成更球形的水滴，当你将浓缩食用色素放在玻璃表面上时，你应该已经注意到了这一点。水滴表面的水比丙二醇蒸发得更快，同时具有更高的表面张力。这些差异导致水滴内部产生对称的内部水流，从而稳定水滴并阻止铺展。
你可能已经看到食用色素水滴在玻璃上漂浮或稍微移动。当将第二个食用色素水滴放在第一个旁边时，它们会在玻璃上滑动并相互移动。这种吸引力运动是蒸汽介导的，这意味着一个水滴影响了第二个水滴的水蒸发，导致稳定内部水流的不平衡。由此产生的不对称性启动了水滴彼此靠近的运动。一旦两个水滴相遇，它们的水/丙二醇混合物决定了它们的行为。如果混合物相同，两个水滴会合并成一个更大的水滴，你可能已经看到了。如果你为你的第二个水滴选择非常不同的食用色素浓度，你可以观察到一个水滴追逐另一个水滴。这种追逐行为的原因是两个水滴表面张力的差异。较低表面张力的水滴（食用色素浓度较高的水滴）将追逐具有较高表面张力的水滴（食用色素浓度较低的水滴）。这带来了一些有趣的观察：当你将许多不同颜色和食用色素浓度的不同水滴放在你的温热玻璃表面上时，你看到你的水滴跳舞了吗？（点击此处阅读更多内容，并观看科学家们解释舞动水滴工作原理的视频。）
清理
用水冲洗所有玻璃器皿或显微镜载玻片，以去除食用色素。清洗你使用的所有其他材料（酸奶盖、滴管），如果你不打算重复使用酸奶盖，请回收它。用清水和肥皂清洁你的工作区域，不要忘记洗手。
更多探索 斯坦福研究人员解开舞动水滴的谜团，来自斯坦福新闻 两种常见的液体自发形成舞动的水滴，来自大众科学
双组分液滴中的蒸汽介导的传感和运动 (pdf)，来自自然（大众科学是自然出版集团的一部分。）
水滴 舞动，来自物理中心
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此活动由科学伙伴合作推出
