史莱姆:它是固体、液体——还是两者都是?

来自科学伙伴的慢流动项目

拉伸它、压扁它、放置它——它到底是什么?尝试一些聚合物化学,以了解更多关于史莱姆的奇异特性!

乔治·雷特塞克

关键概念
固体
流体
粘度
非牛顿流体

引言
兔子是蓬松的,泥浆是软烂的,气球是有弹性的。什么物质可以同时蓬松、软烂又有弹性,而且玩起来还那么有趣?傻胶、Gak 和史莱姆!

这些物质也可能令人困惑。大多数物质在冷却时会变硬,而在加热时流动性会更好。想想蜂蜜在寒冷的日子里从瓶子里慢慢渗出,在炎热的日子里又迅速流出的样子。傻胶、Gak 和史莱姆却不同。当你紧握拳头挤压它们时,它们会感觉像固体一样坚硬,但一旦你松开手,它们就会像浓稠的液体一样从你的手指间渗出。为什么史莱姆会如此不同?在这个活动中,你将制作自己的史莱姆,玩耍它,并发现是什么使其流动!


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背景
它是固体还是液体?固体由紧密堆积的粒子(称为分子或原子)组成,这些粒子相互紧扣,因此固体保持其形状。液体具有可以相互滑动和绕行的粒子,从而使流体能够流动。只有添加或去除热量才能使某些液体(如水或油)流动得更好或更差。这些被称为牛顿液体。非牛顿液体,如番茄酱和史莱姆,则不同。挤压、搅拌或搅动等操作也会改变它们的流动方式。有时它们会变得非常粘稠——或很难流动——以至于很容易被误认为是固体。

一种这样的非牛顿液体可以用白色学校胶水制成,白色学校胶水是一种聚合物。聚合物由称为单体的重复部分的链组成。一种聚合物可能由数十万个单体组成。聚合物也称为大分子或大型分子。有些是人造的,如塑料和尼龙。另一些则天然存在,如 DNA、小麦面筋和淀粉。

白色学校胶水是液体,因为其长聚合物可以相互滑动和沿着彼此滑动。但是,它不易流动;它非常粘稠。添加一些化学物质——例如硼砂溶液(或溶于水的十水合四硼酸钠)——会在聚合物之间形成交联。就好像非常长的分子开始手拉手。结果仍然是聚合物可以相互滑动的流体,还是会变成固体?

材料

  • 容器

  • Elmer's 胶水或其他聚乙酸乙烯酯 (PVA) 胶水

  • 热水

  • 搅拌棒或塑料勺

  • 硼砂

  • 量匙(半汤匙)

  • 量杯(二分之一杯和四分之一杯)

  • 护目镜或眼睛保护装置(处理硼砂会刺激眼睛)

  • 一个工作空间(和工作服),该工作空间受到保护,并且如果粘性史莱姆沾到上面也不会损坏

  • 成人助手

  • 食用色素或记号笔(可选)

  • 用于存放史莱姆的拉链袋或密封容器(可选)  

准备

  • 保护您的工作空间和衣服——史莱姆可能很粘,而且很难去除!

  • 戴上护目镜或眼镜,因为硼砂溶液会刺激眼睛。

  • 让一位成人助手将半汤匙硼砂粉末倒入半杯温水中。充分搅拌直至溶液看起来清澈,在容器上贴上“2% 硼砂溶液”的标签,然后放在一边。  

步骤

  • 在一个容器中倒入半杯胶水和四分之一杯温水。请注意,此溶液含有 2/3(或 67%)的胶水。

  • 可选:如果您喜欢彩色史莱姆,可以混合几滴食用色素。另一种选择是将记号笔的笔尖放入水中一小段时间,使墨水溶解在水中。

  • 用搅拌棒搅拌胶水/水混合物。

  • 向您的胶水/水混合物中加入五汤匙硼砂溶液。

  • 用搅拌棒搅拌。搅拌一段时间后,您应该看到一种物质粘在您的搅拌器上。这种粘性物质看起来像固体还是液体——或者您还不能分辨?

  • 如果您的物质仍然是水状的,则每次加入 ¼ 汤匙硼砂溶液,直到几乎没有水状溶液残留。

  • 用手收集粘性物质,并用手揉搓约一分钟。史莱姆感觉如何?当您揉搓一段时间后,粘性和弹性如何变化?

  • 您会说史莱姆是液体,还是更像固体?

  • 将您的史莱姆挤成椭圆形,并用双手快速将其拉开。它会撕裂还是拉长?

  • 再次将您的史莱姆挤成椭圆形,并用双手缓慢将其拉开。它会撕裂还是拉长?您可以把它拉多薄?

  • 用手揉搓您的史莱姆,使其成球状。尝试用力将手指戳入其中。您的手指能戳多深?感觉像您用手指戳入固体还是液体?

  • 现在尝试轻轻地将手指戳入其中。您的手指能戳多深?感觉像您用手指戳入固体还是液体?

  • 再次将您的史莱姆挤成球状,并将其放入容器中。您认为如果您将其放在那里一段时间会发生什么?它会像固体一样保持椭圆形,还是会像液体一样放松成一滩并采取容器的形状?

  • 可选:为了保持您的史莱姆柔软,请将其存放在密封容器或拉链袋中。

  • 额外内容:在您的胶水/水溶液中添加其他物质,如剃须膏或液体肥皂。您还能获得史莱姆吗?这种史莱姆的感觉和外观会有什么不同?

  • 额外内容:将您的史莱姆暴露在空气中一天。您认为会发生什么?它会变得更像固体,还是开始更容易流动?您认为为什么会发生这种情况?  

观察和结果
史莱姆有时感觉像固体,有时感觉像液体吗?这是预期的。

这种类型的史莱姆在您挤压或搅拌时会变稠或变得更硬或更粘稠。发生这种情况是因为它由交联的长粒子组成。当您将粒子静置时,它们会卷曲起来,并且卷曲物可以相互滑动。当您通过挤压或搅拌施加压力时,一些卷曲物会解开并缠结,从而使史莱姆更难流动。

当您搅拌史莱姆、尝试将其撕裂或用力将手指戳入其中时,聚合物会缠结,并且看起来像固体。因此,它很难搅拌,它会撕裂,并且您的手指会被弹回。

当您将史莱姆静置、轻轻地将其拉开或轻轻地将手指戳入其中时,聚合物会卷曲起来。它们可以相互滑动,并且感觉更像液体。因此,史莱姆采取了容器的形状,它可以被拉伸得很薄,并且您的手指可以穿过它。它不像水那样容易流动,因为它由长交联粒子组成,而水由小粒子组成。当一种物质保持其体积但在静置时失去其形状时,科学家称之为液体。

清理
不要将胶水溶液或史莱姆倒入下水道,因为它们会形成堵塞。相反,将它们扔进垃圾桶。用肥皂水清洗所有设备。

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本活动由 科学伙伴 合作推出。

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