经济日报|金属液滴：成双成对，在轨追逐( 三 )
液滴的协同运动既可以是两者中的大液滴追逐着小液滴旋转 。
2020-041-30
也可以是小液滴追逐着大液滴旋转 。
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而追逐的方向取决于两个液滴之间的自锁模式 。 如果两个液滴彼此相邻（短程自锁） ， 液滴对则采取前一种旋转模式；反之 ， 如果液滴彼此远离（长程自锁） ， 液滴对则采取后一种旋转模式 ， 追逐方向发生反转 。 更有趣的是 ， 液态金属液滴对的旋转和追逐运动 ， 具有不同的轨道半径和不同的自锁距离 。 并且这两者均具有明确的量子化数值特性 。
“看到这些活泼的金属液滴在闪烁着金属光泽的液池表面上追逐和绕转 ， 对我来说是非常棒的视觉体验 ， 这既使我联想到了微观的核外电子围绕原子核的运动 ， 同时又使我将其与广袤无际的宇宙中的天体运行联系起来 。 ”此项工作的共同作者博士生赵曦说 。
幕后推手 ， 应是谁？
这些引人入胜的现象的背后 ， 是液滴与液池表面的导航波场之间的一系列微妙相互作用 。
从侧面观察这些在液面上旋转的液滴在竖直方向上的跳动过程会发现 ， 其频率与液池的上下振动频率相同 。 但由于两个液滴的大小不同 ， 它们弹跳的节律并不一致 。
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研究发现 ， 在所有的液态金属液滴对中 ， 小液滴在弹跳过程中总是先于与之耦合的大液滴“抵达”液面 。 而正是由于这一竖直方向弹跳的不一致 ， 引起了液滴水平方向的运动 。
“之前的系统中从没有观察到这样高度多样化的液滴量子化、轨道化、定向性的液滴运动 ， 我们相信这些液滴行为的出现是因液态金属的独特流体特性带来的 。 ”指导该研究的刘静教授说 ， “我们设计了一系列实验来揭示其潜在原理和机制 。 ”
该团队结合了高速成像、数字图像跟踪、粒子成像测速和其它方法 ， 分别对液态金属液池和液滴的动力学行为进行了深入研究 。 他们发现这种特殊的运动模式源于液滴与液池表面波之间的相互作用 。
“但是 ， 与之前只存在单个导航波场的系统不同 ， 我们当前的系统由于液态金属自身存在的超常表面张力 ， 会产生第二个全局导航波场 。 ”刘静解释说 ， “此外 ， 在我们的系统中 ， 液滴是通过与其耦合的液滴的局部导航波场相互作用获得水平推力 ， 而不是与自身产生的导航波场相互作用 。 ”
在发表的论文中 ， 研究人员提出了一个针对复合导航波场的粒子—导航波关联框架 ， 从而很好的解释了所观察到的实验现象 。
研究人员认为 ， 对于液态金属导航波体系的探索 ， 一方面丰富了流体力学不稳定性的研究范畴和知识 ， 另一方面也极大扩展了流体动力学层面波粒二象性的含义 。
“例如 ， 我们发现液态金属液滴对在我们的双导航波场中的在轨追逐运动 ， 与光学系统中的纳米粒子对的运动模式具有惊人的相似性 。 ”汤剑波博士指出 ， “两个系统相似性的本质原因 ， 在于两个系统的粒子运动都是由波场所介导的 ， 虽然它们各自的物理相互作用有着本质的区别 。 这同时意味着我们很可能在更多的物理体系中发现类似的运动 ， 或者用统一形式的理论去理解不同物理体系的运动 。 ”
刘静教授补充说道 ， “我们在这里也看到了一种可能性 ， 即可以通过简单地振动一个液态金属液池来模拟其它体系中的运动 ， 比如从微观世界中的电子运动 ， 到宇宙中的行星运动 。 我相信 ， 液态金属导航波体系中肯定还存在很多值得探索的科学问题 。 ”
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