毫米大小水滴里竟然有一个实验室( 二 ) _土

当然，我们还需要考虑聚四氟乙烯微粒的一部分表面积从与空气接触变成与水接触时涉及的表面能变化。但理论计算告诉我们，在这种情况下，即便是聚四氟乙烯这样的疏水固体材料，总的表面能仍然会降低。因此，聚四氟乙烯的微粒就会乖乖地吸附在水的表面，从而形成我们之前看到的液体弹珠。
有趣的是，如果固体微粒过于亲水，反而不容易形成液体弹珠。这是因为它们与水的“亲和力”太强，往往不满足于停留在水的表面，而是“一头扎进”液滴内部。
那么液体弹珠都有哪些有趣的性质呢？
【毫米大小水滴里竟然有一个实验室】液体弹珠能有效阻隔液体与固体表面接触
固体表面有亲水疏水之分，在亲水表面，水滴应该倾向于铺展成一层薄膜。然而如果我们把水滴变成相应的液体弹珠时，即便是本来亲水的表面，水滴也会保持球形，看起来像是变成了疏水表面。只有当水的体积增加到一定程度时，水滴才会由圆球变形成一个椭球，似乎液体终于浸润了固体，但实际上这只是重力作用导致的变形。
这种现象之所以会发生，是因为此时水滴表面覆盖着一层固体微粒，这些微粒以及间隔在其中的空气阻碍了水与其它固体表面的接触，因此亲水疏水的规律自然不再适用。
不同体积的液体弹珠及其在玻璃表面上的形态。图(a)和(b)中液滴体积为15微升，图(c)中液滴体积为1毫升。（图片来源：Syuji Fujii et al. Langmuir, 2011, 27, 8067）
液体弹珠不仅有效地将液体与固体表面隔绝开来，也可以防止包裹在其内的液体与其它液体发生接触。例如将一滴水放置到一杯水的表面上，无论我们怎么小心操作，水滴还是会迅速汇入“汪洋大海” 。但如果先将水滴转变成液体弹珠再放到水面上，二者不仅不会融合，而且借助于水的表面张力，液体弹珠还能浮在水面上。
更为有趣的是：众所周知，碳酸钠和氯化钙的水溶液混合后会发生反应，生成不溶于水的碳酸钙，但如果把氯化钙水溶液制成的液体弹珠置于碳酸钠水溶液表面，两者可以长久地“和平共处” ，直到我们用针头刺破液体弹珠的表面，才会观察到白色沉淀的生成。（如下图）同样，如果将两颗液体弹珠放在一起，任凭你用力挤压，它们也不会融合成一颗更大的液体弹珠。这些实验都有力地表明液体弹珠确实能够有效阻隔液体与固体或者其它液体表面的接触。
浮在碳酸钠水溶液上的氯化钙溶液的液体弹珠（a），直到被针头破坏，两种液体才会相接触，生成碳酸钙沉淀（b）。图（b）中另一种白色粉末为用于形成液体弹珠的聚偏二氟乙烯。（图片来源：Edward Bormashenko et al. ChemPhyChem 2009, 10, 654）
从上面这些例子我们不难看出，液体弹珠的性质真的与石子、玻璃做成的弹珠有几分相似。那么液体弹珠这些有趣的性质能够为我们带来哪些帮助呢？
液体弹珠是一个“微型实验室”
液体在我们生活中发挥着不可替代的作用。包括生命现象在内，大量的物理、化学和生物过程都必须通过液体或者溶液的形式来完成，因此毫不夸张地说，离开液体，我们将寸步难行。然而由于液体易挥发、易流动等特点，如何操控液体成为许多实际应用中面临的一大挑战，此时，液体弹珠就成为了一个很好的帮手。
液体弹珠能够有效地防止包裹在其中的液体与周围的固体或者其它液体发生接触，但并不会让液体与外界环境彻底隔绝。
例如，透过表面上固体微粒之间的空隙，液体弹珠内部的液体仍然可以挥发到空气中，而外部环境中的气体也可以渗透或者溶解到液滴中。通过滴管、针头等工具，我们也可以直接向液体弹珠中添加或者抽取液体而不影响整个结构的完整。

毫米大小水滴里竟然有一个实验室( 二 )

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