科学松鼠会 » 窗敲雨 https://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Wed, 17 Apr 2019 22:40:43 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.3.18 https://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » 窗敲雨 https://songshuhui.net 32 32 动图欣赏:水滴转圈圈 https://songshuhui.net/archives/104737 https://songshuhui.net/archives/104737#comments Wed, 03 Apr 2019 06:24:41 +0000 https://songshuhui.net/?p=104737

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如果一滴水掉落在一个非常疏水的表面上,那么在表面张力的作用下,它还能像一个有弹性的球一样跳起来:

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而今天我们还会看到一个弹跳水滴的升级版:它不仅会从固体表面上弹起来,而且还会开始旋转:

vrain-droplet-surface-microstructure-movement-2

能让水滴自发开始旋转的表面经过一些特殊处理,从动图上可能已经能看出一些端倪。简单说,处理方法是这样的:首先在固体表面覆盖一层非常疏水的氟化合物涂层,接下来在上面覆盖上一个模板,并用紫外光进行处理。这样处理的结果是,只有照到紫外光的局部材料性质发生了改变,变成了亲水的,在疏水表面上形成了一个亲水的螺旋图案(应该叫螺旋吗……)。

上图中染色水滴拍上去之后变成了橙色的线条就是经过处理留下的亲水部分。亲水部分与水滴的相互作用导致了不平衡的受力,引导水滴产生旋转。利用这种方法可以让液滴的转速达到每分钟7300转。

改变亲水区的设计,还可以让液滴以其他方式运动,例如像下图这样翻滚着飞向一侧:

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来自中科院化学研究所和清华大学的研究者们在Nature Communications上报告了这种新颖有趣的控制液滴运动的方法。而对液滴运动的控制或许可以应用于自清洁、喷墨打印等领域。

相关报道及论文见:

https://www.sciencemag.org/news/2019/03/these-falling-drops-don-t-splash-they-spin

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08919-2

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如何从透明中变出五彩斑斓?你只需要一杯热水,再加上这样道具…… https://songshuhui.net/archives/104673 https://songshuhui.net/archives/104673#comments Sat, 30 Mar 2019 23:23:51 +0000 https://songshuhui.net/?p=104673

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当潮湿温暖的空气遇到凉凉的眼镜片、镜子或者其他类似的表面,冷凝的小水滴总是会在上面蒙上一层“薄雾”。这层雾看起来是什么颜色?

你可能会说,当然是白色啦!毕竟它都是由无色透明的小水珠组成的嘛。

但是,事情没有这么简单。在特定的情况下,原本无色的小水珠其实能形成一层五彩斑斓的雾!

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(这个真的是水。原视频来源:参考文献1)

而且这还不是最厉害的。真正最厉害的是——这层五彩斑斓的水雾发在了《自然》上,而且还登上了2月28日的期刊封面:

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(封面图片:Sara Nagelberg)

彩色的水雾到底是怎么回事?下面我就来详细讲讲。

如何拥有同款彩色水雾?

想要观察到和Nature封面研究同款的彩色水雾,首先需要准备一个聚苯乙烯材质的透明塑料培养皿。只要有了这样道具,剩下的事情其实都很简单:只要在培养皿里倒上一些热水,盖上盖子,并用一束白光把它照亮即可。下面是我自己测试的结果。实验中用的是准直LED光源,我这里没有专门的光源,只是靠房间顶上的日光灯。虽然效果没有那么好,但色彩确实看得很清楚了:

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(毫无PS的作者手抖自摄……动图经过加速,实际时间十秒左右)

从实际观察来看,从盖上盖子起水雾色彩的分布一直都在变化,这些色彩肉眼明显可见的时间并不会维持很久。而如果在显微镜下观察这些彩色水雾,会发现这些微米级的小水滴边缘都有一个明亮的“彩色光圈”。不同大小的液滴“光圈”颜色各不相同。

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(在显微镜下看,每个小水滴的边缘都顶着一个彩色的光圈。我知道这个图很像画的,但确实不是_(:з」∠)_图片来自原论文,大图的下方的比例尺是200μm,小图的比例尺是1cm。)

彩色从哪儿来?

首先需要说明:这不是一道迷你版的彩虹,也不是一个个超小号肥皂泡。水雾上的色彩形成原因和颜色的分布规律都与这两种常见现象不同。

研究者发现,彩色水雾其实是两种光学现象共同作用的结果:一个是全反射,一个是干涉。

当光线从折射率大介质入射,并且角度超过一个临界值时就会发生全反射。

vrain-droplet-color-5

(动图来源:QuantumBoffin)

而当光线从上方入射时,它就很容易沿着培养皿下壁的液滴边缘发生全反射(如下图)。光线可能会从不同的路径发生全反射,这些路径的长度不同,因此光线最终出射时就产生了相位差。具有相位差的光线彼此发生干涉,就能让白光变成不同的色彩。

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(全反射与干涉的共同作用让微米级小液滴产生色彩。截图来源:MIT)

这个效应取决于液滴的折射率,同时也非常依赖液滴的大小和形状。一定要选择塑料而不是玻璃的培养皿就是为了让挂壁的水滴形成合适的形状。

为啥要研究这个?

这种小液滴的虹彩现象最初是艾米·古德林(Amy Goodling)和劳伦·扎扎尔(Lauren Zarzar)两个人发现的。当时他们在研究一些培养皿上的透明小液滴(不过并不是水),研究中突然发现液滴看起来格外地蓝,这激起了他们的研究兴趣。

除了满足好奇心,这项研究也为人们提供了一种制造结构色的新思路。虽然培养皿盖子上的小液滴没法保持稳定,但把液滴换成聚合物小颗粒也可以实现同样的效果。而且研究者们也为这种现象建立了模型,可以预测不同条件下的颜色规律。

然而,这种虹彩现象的效果非常取决于光源和观察角度,这一点会限制它的应用前景。

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(转一转角度,液滴的虹彩看起来就完全不一样了。这里展示的并不是水滴,不过原理类似。原视频来自参考文献1)

不过,能在家里拥有一个Nature封面同款我还是非常开心的……

参考资料

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

http://news.mit.edu/2019/water-droplets-structural-color-0227

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https://songshuhui.net/archives/104673/feed 0
记录更新!世界上最小的元素周期表有多小? https://songshuhui.net/archives/104684 https://songshuhui.net/archives/104684#comments Wed, 27 Mar 2019 06:13:50 +0000 https://songshuhui.net/?p=104684

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世界上最小的元素周期表有多小?最近这个记录又更新了。新的迷你元素周期表记录诞生在诺丁汉大学,这个刻在硅片上的超小元素周期表只有14µm*7µm那么大。

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一张局部细节图:

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整件作品除了元素周期表本体之外,还包括了两个人的微缩人像:德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)以及尤里·奥加涅相(Yuri Oganessian)。门捷列夫应该不太需要介绍了,而后面的这位是个原子核物理学家。

奥加涅相身份特别的地方在于,他在世时名字就被用来命名了化学元素(118号元素Og,汉字是气字头下面是奥,我打不出来)。有此待遇的人目前为止一共只有两个(另一个是格伦·西奥多·西博格,名字命名了106号元素𬭳),而还活着的就只有奥加涅相一个人了。

下图就是包括人像的全貌:

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(左边是门捷列夫,右边是奥加涅相。人像比较复杂,所以比周期表本体还是大多了)

那么,这么小的元素周期表是怎么做的?大致过程如下:首先利用电子束光刻(electron beam lithography)把图案刻到聚合物薄膜上,制成“模板”。然后再利用反应离子刻蚀(reactive ion etching)把“模板”的图案刻到硅片上,最终表面还会沉积上一层金的薄膜。

其实,上一个“最小元素周期表”的记录也来自诺丁汉大学。那个版本比较好玩的一点是它刻在了化学家马蒂亚·波利亚科夫(Martyn Poliakoff)的头发上面。这个英国化学家同时也是油管上的化学科普网红,估计不少化学爱好者都看过他的视频。

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(头发上的元素周期表。大小是89.67μm*46.39μm)

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(这位就是头发的主人Martyn Poliakoff)

这个记录还会继续更新吗?那就要看他们有没有这个兴致,以及刻蚀技术未来如何发展了_(:з」∠)_

信源:https://www.chemistryworld.com/news/new-record-set-for-the-worlds-smallest-periodic-table/3010233.article

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https://songshuhui.net/archives/104684/feed 2
超中二app!它能在你的手心引发一场“大爆炸” https://songshuhui.net/archives/104561 https://songshuhui.net/archives/104561#comments Fri, 22 Mar 2019 22:17:41 +0000 https://songshuhui.net/?p=104561

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今天我要来安利一个超帅超中二的app,它叫“Big Bang AR”。

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(App store截图)

这个增强现实软件由CERN(欧洲核子研究中心)与Google Arts & Culture合作推出,它能在你的手心引发一场“虚拟大爆炸”,并在7分钟的互动影片中带你领略138亿年的宇宙诞生史。

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(图片来源:Google Arts & Culture)

按软件说明在手机摄像头前伸出一只手,握紧拳头,再慢慢松开……标志着宇宙诞生的大爆炸就在你手心展开了!

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(太中二了!)

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接下来,你会首先看到各种基本粒子的诞生,它们又会彼此结合,形成更复杂的粒子,以及星系。

夸克们走到一起,形成质子和中子(动图中只截了质子的部分):

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原子开始形成:

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app中可以举着手机在星云中四下环顾:

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也可以点击“引爆”一颗生命走到尽头的恒星,欣赏超新星爆炸:

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(超新星爆炸的时候屏幕上还提示“move back”,难道往后撤点就能不被炸到吗_(:з)∠)_)

在这里还可以看太阳系中的行星如何诞生:

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最终,就看到我们的地球啦~

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当然,这毕竟是CERN的科学家参与的app,只看个热闹还不够。Big Bang AR每个章节呈现的内容都配有对应的科普解说词(英文,同时可以选择打开英文字幕),以及相关拓展阅读。

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(选“read more”可以了解相关信息)

界面下方的坐标轴还显示着事件对应的时间:

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而看完宇宙诞生的过程之后,你还可以在app中拍一张“恒星自拍”,骄傲地宣布自己体内充满来自宇宙大爆炸与远古恒星的化学元素~

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(虽然拍出来感觉看不清脸_(:з」∠)_)

试玩之后,总的感觉这个app大概就是一个比较酷炫的互动科教短片,不过张开手就引发一场大爆炸这么中二的能力我个人非常喜欢!这个应用是免费的,目前已经在苹果和谷歌的应用商店上架,有兴趣就来玩一玩吧~

信源:

https://home.cern/news/news/knowledge-sharing/download-big-bang-your-smartphone

↑这个链接里面有下载地址,也可以直接搜索。至于说版本不兼容的问题我就解决不了……

除特别说明外,本文图片均来自手机录屏和截图。

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https://songshuhui.net/archives/104561/feed 4
蜜蜂的数学有多好?它们已经学到加减法了 https://songshuhui.net/archives/104556 https://songshuhui.net/archives/104556#comments Tue, 19 Mar 2019 22:37:44 +0000 https://songshuhui.net/?p=104556

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和人类相比,蜜蜂的脑子要简单得多,它们的小脑子神经元数量比人脑少了5个数量级。但即使是长着这样看起来简单的脑子,也一样可以进军数学界。

去年的一项研究发现,蜜蜂可以理解一个重要的数学概念:0。它们知道“没有”是一个可以和其他数字比较的概念,而且知道它比1、2或者3更小。而现在,蜜蜂的数学技能又得到了刷新:科学家已经教会了一些蜜蜂做加减法!虽然,它们现在还只会+1或者-1……

当然,比起蜜蜂的数学能力,更让人好奇的问题是:科学家到底是怎么让蜜蜂做数学题的?毕竟,你不可能递一张卷子给它做啊……

下面,就让我们来看一些蜜蜂学做数学题的过程。这两个研究的实验设计有些相似,它们都会用不同数量的图形来代表对应的数字(如果是0则会放一张没有图形的白纸),然后根据出题者的意图给出正确和错误答案的选项。在练习中,正确和错误选项的位置分别设有奖励和惩罚:如果选对了,蜜蜂就能喝到它们喜欢的糖水;如果选错了,则会尝到很苦的奎宁溶液。

比如说,假如科学家想问蜜蜂的题目是“哪一个数字更小”,而题目对应的选项是1和3,那他们就会给蜜蜂看分别画着一个方块和三个方块的两张纸,然后在1个方块的这一边放上奖励的糖水。

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(一道例题。随便画了一下示意图)

接下来,就是蜜蜂的刷题时间。研究者们会更换一些不同的选项,在奖励和惩罚的引导下,蜜蜂们也会开始慢慢明白其中的规律。

在“比大小”的题目中,只要改变图形的数量就可以了,但“加减法”还更复杂一些:科学家必须要让蜜蜂知道,存在“加”和“减”两种不同的计算规则。幸好,蜜蜂们对色彩的辨识相当不错,于是这一次科学家给方块涂上了不同的颜色:蓝色代表加一,黄色代表减一。他们制作了一个Y形的选择装置,蜜蜂们在入口处会首先看到题目,然后进入之后看到两个选项。

以下图为例,这只蜜蜂的题目是“2+1”,左侧的选项“3”是正确答案。如果它选了左边,就可以开心地喝糖水了。

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(论文截图。图片来源见参考文献1)

接下来又是蜜蜂的刷题时间,这一次它们经历了100轮带有奖惩的算数训练,随着训练增加,蜜蜂们的正确率显著提升:

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(肉眼可见的进步。图片来源见参考文献1)

当然,只练习是不够的,最后还得考试。考试时会去掉奖励和惩罚,而且难度有所提高:正确答案的位置会被交换,题目也会用一个之前从未在题目中出现过的数字。

那么蜜蜂们的考试结果如何呢?最终,它们的正确率大概在63%-72%之间。这听起来确实不算什么好成绩,毕竟它们的题目只是+1和-1而已,而且涉及到的全部数字最大也不超过5。但可以确定的是,这成绩明显比随机瞎选要好——也就是说,蜜蜂们是真的理解了题目规则,真的有在做算术的。

这些研究结果显示,进行基本的数学计算并不需要一个非常复杂的脑子,动物们掌握数学的能力或许也比我们想象的更好。

蜜蜂都在学做数学题了,在座的各位数学恐惧症(包括我自己)是不是也应该再努努力呢_(:з」∠)_

参考资料:

http://advances.sciencemag.org/content/5/2/eaav0961

https://www.vox.com/2019/2/6/18212037/honeybee-add-subtract-science-advances

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_animals_by_number_of_neurons

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科学美图:花尖一朵“云” https://songshuhui.net/archives/104516 https://songshuhui.net/archives/104516#comments Mon, 11 Mar 2019 06:56:45 +0000 https://songshuhui.net/?p=104516

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在一朵花的花蕊上,仿佛停住了一团凝固的“云”。

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(图片来源:X Xu and X Duan)

这其实是一小块氮化硼气凝胶样品,它十分轻盈,密度只有水的1%。

它在扫描电镜下的微观结构是这样的:

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气凝胶是什么呢?大家可以想象一下一个三维网状结构里面“网住”了水的凝胶结构,而如果把其中的水都替换成气体,也就是气凝胶了。气凝胶需要特殊的工艺来制备。

气凝胶材料因为非常非常轻和隔热而受人青睐,应用前景包括在极端的温度条件下保护航天设备等。但很多气凝胶也存在机械性能不够稳定的问题,在急剧的温度变化中容易变得脆弱。

而这一次研究者做出了机械性能更加稳定的气凝胶,它可以抗住连续一周时间1400℃的高温,也可以在急剧的温度变化(一秒钟内温度就变化275°C)之后依然保持原有的机械性能。虽然在实际投入应用之前还有很多后续研究需要做,但感觉这些材料看起来真是非常厉害了。

相关研究近期发表在了Science上,详情可以看这里:http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723

相关报道:https://www.chemistryworld.com/news/light-as-air-ceramic-could-help-spacecraft-stay-cool/3010142.article

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