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麥圈效應(yīng)和牛奶的表面張力

如果你每天早上都吃一碗麥圈，你就知道自己是個(gè)書呆子了。我得承認(rèn)我以前也想過這個(gè)問題。

事實(shí)證明，這種現(xiàn)象被稱為“麥圈效應(yīng)”。它可能是由一位表面科學(xué)家在早餐時(shí)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)他正在吃一碗美國人*喜歡的無麩質(zhì)燕麥粥。*明顯的是，當(dāng)大部分的麥片都吃光了，剩下的小O們發(fā)現(xiàn)自己在一個(gè)牛奶池里。你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們會(huì)向碗的側(cè)面或中心移動(dòng)，也會(huì)向彼此移動(dòng)。

這種現(xiàn)象是由牛奶的表面張力引起的。液體表面的分子表現(xiàn)出比表面以下的分子更強(qiáng)的內(nèi)聚結(jié)合。因此，表面表現(xiàn)得像一層薄膜。由于Cheerio是漂浮的，所以在液體/麥圈界面形成向上的半月板。由于Cheerios有浮力，它們想要移動(dòng)到**點(diǎn)——碗的中心、邊緣和彼此之間。

Figure 1: Cheerios Effect and Floating Paper Clips

麥圈的密度比牛奶低。有趣的是，由于表面張力，回形針也可以漂浮在水(和牛奶)上，盡管它們比它們所漂浮的液體密度更大。它們也會(huì)相互吸引，相互吸附。然而，正如你在上圖中所看到的，由于半月板的對立，麥圈和回形針互相排斥——一個(gè)在上，一個(gè)在下。還應(yīng)該注意的是，麥圈不表現(xiàn)出完全濕潤。當(dāng)牛奶接觸液體時(shí)，由于表面能強(qiáng)而潤濕性差，就形成了接觸角。由于麥圈的浮力，產(chǎn)生的半月板向上，而回形針上的半月板由于重力和更大的密度而向下彎曲。

除了麥圈和回形針，上面的視頻還加入了圖釘?shù)挠懻摗粋€(gè)較輕的圖釘頭會(huì)被一個(gè)較重的完整圖釘排斥。前者是漂浮的，而后者會(huì)下沉，但被水的表面張力。

麥圈效應(yīng)有助于理解自組裝如何在具有均勻形狀的納米尺度的小部件上工作。你可能想知道為什么海洋里的船不像早餐碗里的麥圈那樣互相吸引。答案是，表面張力只能在麥圈和回形針大小的小物體上觀察到。船是如此之大，以致于表面張力在那個(gè)尺度上可以忽略不計(jì)。

另外，當(dāng)我們在研究麥圈的時(shí)候，我們開始對牛奶的表面張力感到好奇。所以我們使用了rame-hart模型250和DROPimage Advanced進(jìn)行測量。我們發(fā)現(xiàn)來自食品店的2%均質(zhì)和巴氏滅菌的A級牛奶表面張力為48mn /m。脂肪酸和蛋白質(zhì)是表面活性劑，它能把表面張力降低到比水的張力還低的程度。我們還發(fā)現(xiàn)牛奶的表面張力與脂肪含量成反比。因此，我們發(fā)現(xiàn)張力計(jì)可以代替乳汁密度計(jì)來測量.

1. 麥圈效應(yīng)解釋了在固體/液體界面上，由于半月板形成的接觸角，小的浮力物體是如何相互吸引的。

2. 小而輕的漂浮物體(如Cheerios)由于向上的半月板而相互吸引。小而密集的物體(如回形針)也會(huì)因?yàn)橄蛳碌陌朐掳宥嗷ノ?。小而輕的物體和稠密的物體由于半月板的對立而相互排斥。

3. Cheerios效應(yīng)在小的物體(如Cheerios的大小)上很明顯，但在大的物體(如船舶)上不明顯，因?yàn)樵诖蟪叨认卤砻鎻埩κ强梢院雎缘摹?/p>

4. 由于脂肪酸和蛋白質(zhì)等表面活性劑的作用，牛奶的表面張力比水低。

5. 隨著牛奶中脂肪含量的減少，表面張力增加。

由于它的多功能性，rame-hart 250不僅是一個(gè)接觸角測定儀和張力計(jì)，它也可以作為一個(gè)乳汁密度計(jì)來應(yīng)用：

rame-hart 250包括我們的DROPimage高級軟件，其中包括測量接觸角、表面能量、表面張力、界面張力的工具，以及一系列動(dòng)態(tài)和時(shí)間依賴性的研究。一個(gè)基于方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具允許強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)開發(fā)使用友好的界面，容易掌握，但功能強(qiáng)大。許多在線視頻可以幫助新用戶掌握這個(gè)強(qiáng)大工具可以完成的任務(wù)。

MODEL 250 產(chǎn)品參數(shù)

250型高級接觸角/張力計(jì)測定儀適用于任何附件，包括DROPimage高級軟件。該軟件可以測量分析并記錄滴液的具體情況，測量角度和表面張力。

• 技術(shù)參數(shù)：

  接觸角范圍：0– 180°

  接觸角分辨率：0.1°

  接觸角精度：+/- 0.10°

  攝像機(jī)： SuperSpeed USB 3.0， 1/3” CCD，100fps， Progressive Scan，

  背光設(shè)置：可變光纖照明

  樣品臺：標(biāo)準(zhǔn)的3維樣品臺

  儀器尺寸：489 x 267x508mm

  儀器重量：6.1 kg（不包括電源）

  電源：110或240 VAC