一次失误 + 一次拖延 = 一个新发现

Posted 2021-03-19

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　　这个故事要从几年前说起。几年前，<strong>卡马萨</strong>（Roberto Camassa）和<strong>麦克劳克林</strong>（Richard McLaughlin）两位教授负责的应用数学和海洋科学流体联合实验室正在为一次贵宾参观准备演示实验。两位教授专注于分层流体的研究，他们打算展示一个并不复杂但很受欢迎的“客厅小把戏”：只要盐水由于密度差异而均匀分层，扔进盐水中的小球会在沉入底部的过程中“弹跳起来”。
　　但负责实验的研究生在设置下层流体的密度时犯了错。小球“弹跳”后浸没悬浮在水中，并没有沉到底部。
　　麦克劳克林教授回忆说：“然后我做了一个很好的决定，暂时没有收拾烂摊子。”他告诉那个研究生：“回家吧，我们之后再收拾。”到了第二天早上，这些球仍然悬浮在液体中，但它们开始聚在一起，似乎是毫无理由地自行聚集起来。 
　　这个现象引起了科学家的极大兴趣。他们最终找到了现象背后的潜在机制，当然，整个发现的过程包含了两年多的基准实验研究和大量的数学知识。
　　在 12 月 20 日的《自然通讯》上，他们报道了这种新的现象及其背后机制，这种现象产生了一种流体力，<strong>能够移动浸没在由于密度不同而分层的流体中的微粒，并将它们聚拢在一起</strong>。这一突破为微粒如何在湖泊和海洋中积聚提供了一种新的解释，这一发现或许可以应用在定位生物热点、清洁环境，甚至分类和包装等多个方面。
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　　在流体系统中，物质如何在重力作用下沉降和聚集是一个广泛而重要的研究领域，它对人类和地球都有重要的影响。海洋等许多自然水体中都存在稳定的密度分层。在海中，有一种名为<strong>海洋雪</strong>（marine snow）的现象，它指的是有机物碎屑会不断地从上层水域沉降到深海中去。营养丰富的海洋雪不仅对全球食物链至关重要，而且这些碎屑最终堆积在海洋深处，造就了地球上最大的碳库，那里也是地球碳循环中最不为人所知的组成部分之一。与此同时，随着环境污染，人们也越来越担心在海洋中漂浮的微塑料对环境造成的影响。
　　长期以来，人们一直认为海洋微粒的堆积是偶然碰撞和附着的结果。但是，根据这项新的研究，一种完全不同且出乎意料的水中机制正发挥着作用。在这篇论文中，研究人员证明悬浮在具有密度梯度的液体中（如在由于盐度差异而分层的海水中），微粒会表现出两种以前未被发现的行为。
　　首先，微粒在没有静电吸引或磁吸引的情况下，会自行聚集组合在一起，或者对于微生物来说，在没有鞭毛或纤毛等推进装置的帮助下，它们会自行聚集。其次，微粒不需要任何粘合剂或其他粘合力就会聚集在一起。它们形成的团越大，吸引就越强。
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　　容器里装有密度不同的分层的盐水，上层是密度更低的淡水。微塑料珠被扔进容器中，这些塑料珠被重力向下拉，同时被浮力向上推。当它们悬浮在水中时，在浮力和平衡盐水浓度梯度的扩散作用的相互作用下，塑料珠周围的水产生流动，导致塑料珠开始缓慢地移动。
　　然而，塑料珠并不是随机移动。最初孤立的塑料珠感受到一种相互吸引的力量，先在局部形成了团。同时这些局部的小团相互吸引，看起来它们好像开始了自己的“拼图游戏”，正努力填满拼图。随着团越来越大，流体力也逐渐增加。最终这些微塑料珠形成了一个大圆盘的形状。 
　　通过实验和一系列计算及模拟，科学家发现了这个之前未知的第一性原理流体动力学现象，这为理解物质在环境中的组织方式打开了新的大门。
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　　在河口和深海等高度分层的水体中，从数学上理解了这一现象或许可以让科学家模拟和预测生物热点的位置，包括找到商业鱼类或濒危物种的觅食地。利用这一现象，也许还有机会发展出更好的方法来定位海洋中的微塑料，甚至从深海发现石油。或者在工业规模的流体实验室实验中，这个机制也可以用于对不同密度的材料进行分类，例如分类不同颜色的可回收碎玻璃。
　　麦克劳克林说：“我们多年来一直在研究分层的流体系统，通常是研究物质通过分层系统中的行为。这项发现是我职业生涯中遇到的最兴奋的事情之一。”