如何使用化学方法走出迷宫？

迷宫是良多伴侣出格是青少年伴侣十分喜爱的益智游戏。简单的迷宫只需稍加不雅察就可以找出准确的路线，但复杂的迷宫生怕就要经由过程于数学方式进行计较。不外今天，笔者要告诉大师，迷宫问题还可以经由过程化学方式来解决。你或许感觉这是异想天开？那就来看看化学家是若何做到的吧。

（图片来历：https://realtheatre.wordpress.com/2013/01/29/behaviour-in-the-maze/）

我们起首用一种名为聚二甲基硅氧烷的高分子材料制当作一个长宽均为1-2厘米，深度为1毫米的迷宫，然后标的目的迷宫中灌入含有氢氧化钾和2-正己基癸酸的水溶液。这一步做好后，我们将一块在盐酸溶液中浸泡过的凝胶放在迷宫的出口使之与迷宫中的溶液接触，然后当即将一些红色颜料的粉末放在迷宫进口的水面上。仅仅大约十秒钟之后，原本无色的溶液中就呈现了一条红色的印迹，清楚地标识出了从迷宫进口到出口的准确路径[1]。那么这是怎么回事呢？

操纵马伦哥尼效应解决迷宫问题的几个实例。S和E别离暗示迷宫进口（低概况能）和出口（高概况能）[1]。

当我们把水溶液倒出神宫中后，水和空气之间就形当作了一个界面。在水的内部，每个水分子都被它的火伴包抄着，而界面处的水分子却不得不面临“秉性”与本身相差甚远的空气分子。于是，在水和空气的界面就呈现了一个额外的能量——概况能。事实上，不但是水和空气的界面，肆意两种分歧的物质发生接触时，界面处城市存在概况能。

既然是额外的能量，那么显然设法将其降低才有利于系统的不变。那么若何做到呢？别忘了水中还添加了氢氧化钾和2-正己基癸酸。这两种物质在水中一相遇很快就发生化学反映，后者被酿成了2-正己基癸酸钾，在水中解离当作带负电的2-正己基癸酸根离子和带正电的钾离子。

钾离子很快就与水分子打当作一片了，可是2-正己基癸酸根离子却面对了一个难题：它的一端是对水亲和力很强的离子，可是另一端又是极难溶于水的碳链。一边想溶于水，另一边却想尽量远离水，双方妥协的成果为它指示了最该去的处所——空气和水的界面。在这里，亲近水的离子可以继续和水连结接触，而厌恶水的碳链正好可以远离对方。而水分子正好可以不消面临厌恶的空气分子了。于是，当我们把氢氧化钾和2-正己基癸酸添加到水中后，水和空气的界面很快就被2-正己基癸酸根离子占有，这样一来，水和空气界面处的概况能就降低了。

但当我们把一块含有盐酸的凝胶放在迷宫出口后，环境就发生了转变。凝胶中的盐酸（精确说是氢离子和氯离子）很快渗入出来进入水溶液，碰到2-正己基癸酸根离子后，立即把对方“打回真相”——从头生当作2-正己基癸酸。2-正己基癸酸根离子是个水和空气“两端通吃”的家伙，可是2-正己基癸酸却很难溶于水。这样一来，在接近迷宫出口的处所，本来不变存在于水和空气界面上的2-正己基癸酸根离子不复存在，水从头与空气相接触，这里的概况能是以升高了。

在碱性前提下，2-正己基癸酸会被改变当作2-正己基癸酸根离子，后者在酸性前提下又会回到前者

因为迷宫的路径具有必然的长度，添加到迷宫出口的盐酸需要一段时候才能扩散到迷宫进口。是以在迷宫进口四周的2-正己基癸酸根离子没有受到较着影响，仍然呆在水和空气的界面。这样一来，迷宫进口处水和空气界面的概况能就较着低于出口处的概况能。于是迷宫出口处的水分子不干了：进口何处有那么多2-正己基癸酸根离子，分给这边的兄弟一些吧，好让我们的概况能也降低一些。怎么才能分派平均呢？方式很简单，让处在空气与水界面处的水分子从进口（低概况能）标的目的出口（高概况能）流动，这样一来界面上的2-正己基癸酸根离子也跟着流动过来。与此同时，在接近容器底部的位置，水分子则沿着相反的偏向流动，即从出口流标的目的进口。流动的成果是2-正己基癸酸根离子从头在进口和出口之间平均分布。这种因为液体-气体界面的概况能差别而导致的液体流动被称为马伦哥尼效应(Marangoni effect)。意大利科学家卡洛·马伦哥尼最早对其进行系统研究，是以这一现象以他的名字定名[2]。

△马伦哥尼效应的演示：在容器中倒入含有碱和脂肪酸的水溶液，在此中一端放入一块浸有酸的凝胶，另一端的水面上放置颜料颗粒。概况能不平均引起的马伦哥尼效应会使得颜料颗粒朝着有凝胶的那一端移动[1]

接下来有一个问题：在迷宫进口和出口之间有良多路径，液体该沿着哪条路流动呢？显然，液体应该沿着概况能转变最为显著的路径移动，而这刚好是物理距离最短的线路，也就是迷宫准确的路线。是以，液体必然会优先沿着这条路径流动。这就比如我们将一个皮球从距离地面必然高度处落下，皮球必然会沿着与地面垂直的偏向落下，而不会在空中拐几个弯。若是我们在迷宫进口处的水和空气界面放上一些颜料的颗粒，那么当马伦哥尼效应发生时，颜料颗粒也会被裹挟着一路流动，在这个过程中不竭有颜料分子消融到水中。经由过程水中的印迹，我们就看到了液体流动的偏向，是以也就找到了迷宫准确的路线。计较表白，颜料颗粒跟着水流动的速度很快，可达每秒钟1毫米甚至更快[1]。是以对于长宽在一两个厘米的迷宫，我们只需要等上十几秒钟就可以看到准确的路径，可以说是半斤八两的敏捷。更为有趣的是，若是迷宫中存在不止一条从毗连进口和出口的路径，那么马伦哥尼效应引起的液体流动起首会揭示出最短的路径，跟着时候的推移，其它可能的路径也会闪现出来。研究人员还操纵这种方式当作功进行了“实战练习训练”——寻找真实的地图上两点间最短的距离。

若是一个迷宫中存在多条可能的路径，操纵马伦哥尼效应，我们可以先后将它们找出。图中(a)和(b)别离是在出口处(E)放入含有盐酸的凝胶，并在进口处(b)放入颜料颗粒约10秒钟和60秒钟后的情景，(c)图展示的是迷宫中所有可能路径以及2-正己基癸酸根浓度的分布，亮黄色暗示浓度较高。注重因为马伦哥尼效应激发液体流动的扰动，颜料有时也会进入一些死胡同[1]。

现实上，操纵马伦格尼效应解决迷宫问题并不止这里介绍的这个例子，只要可以或许在进口和出口之间造当作概况能的差别即可。例如我们也可以不需要在水中添加其它化合物，只要在迷宫出口处不竭添加乙醇，因为乙醇可以或许与水夹杂，概况能又低于水，同样可以造当作同样可以造当作进口和出口之间概况能存在差别，进而使得液体发生流动。不外因为这个时辰出口处的概况能低于进口，是以液体的流动偏向是接近概况处从出口流标的目的进口，而在接近容器底部的位置则是反过来从进口流标的目的出口。若是将一个小物体浸没在进口四周的水中，它就会跟着液体的流动标的目的出口不竭移动，从而指示出准确的路径[3]。改变迷宫进口和出口处的温度也可以造当作液体概况能分布不均，从而造当作马伦哥尼效应[4]。

若是仅在迷宫中插手纯水，但标的目的其一端不竭添加乙醇，因为乙醇能与水互溶而概况能又低于水，导致迷宫两头概况能分歧，由此激发的马伦哥尼效应同样可以用来指示迷宫的准确路径[3]

马伦哥尼效应还有很多有趣的例子。一个闻名的尝试是在水面上撒上一些胡椒粉末，然后在水面中间滴上一两滴番笕水，胡椒粉末立即就会标的目的着周围散开，这是因为番笕水的概况能要低于纯水，是以造当作水面中间和周围概况能存在差别。当然，这个现象不仅仅是好玩，很多现实应用都有它的身影。例如在半导体加工过程中，晶圆概况残留的水滴需要实时去除。我们可以用含有有机溶剂的气流吹标的目的水滴，因为有机溶剂的概况能凡是低于水，在马伦哥尼效应的感化下，水滴就会从晶圆概况流走。

马伦哥尼效应的另一个实例：在水面上悬浮一些胡椒末，再把番笕水滴加到水面上，因为概况张力的转变，原本平均分布的胡椒末会散开。

经由过程化学方式来解决迷宫问题清楚地申明了两个看上去毫不相关的问题是若何被巧妙地联系起来的。这样的巧妙联系往往带来意想不到的成果，不仅帮忙人类更好地加深对天然现象的熟悉，还有可能改善我们的糊口，当然更是揭示了科学之美。

作者：魏昕宇

参考文献和注释：

[1] Kohta Suzuno, Daishin Ueyama, Michal Branicki, Rita Tóth, Artur Braun, and István Lagzi, “Mazing Solving using Fatty Acid Chemistry”, Langmuir, 2014, 30. 9251

[2] 马伦哥尼效应也可以用概况张力来诠释。液体的概况张力和概况能量纲完全不异，是以现实上是一回事。注重概况张力的量纲是牛顿/米，与力的量纲（牛顿）分歧。

[2] Yongxin Wang, Xiaofang Liu, Xiaofeng Li, Junjie Wu, Yuhua Long, Ning Zhao, and Jian Xu, “Directional and Path-Finding Motion of Polymer Hydrogels Driven by Liquid Mixing”, Langmuir, 2012, 28, 11276

[3] Petra Lovass, Michal Branicki, Rita Tóth, Artur Braun, Kohta Suzuno, Daishin Ueyamad, and István Lagzi, “Maze solving using temperature-induced Marangoni flow”, RSC Advances, 2015, 5, 48563

发表于 2019-09-07 02:00
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