一次事故如何导致发现一种新的水下基本力

时间:2019-12-30 18:50 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

一次事故如何导致发现一种新的水下基本力

一个计算错误的流体实验室演示导致了对微粒如何在湖泊和海洋中积累的新认识。

来自北卡罗莱纳大学教堂山分校和布朗大学的一组数学家发现了一种新现象,这种新现象能产生一种流体力,使浸没在密度层状流体中的粒子能够移动和结合。这一突破为人们提供了另一种选择,可以替代之前关于粒子如何在湖泊和海洋中积聚的假设,并可能应用于定位生物热点、清洁环境,甚至是分类和包装。

物质如何在诸如湖泊和海洋等流体系统的引力作用下沉淀和聚集,是一个广泛而重要的科学研究领域,对人类和地球产生了重大影响。考虑“;海洋雪”;大量的有机物不断地从上层水域落入深海。富含营养的海洋雪不仅对全球食物链至关重要,而且它在海底深处的积累代表了地球上最大的碳汇,也是地球碳循环中最不为人知的组成部分之一。此外,人们对海洋环流中悬浮的塑料微粒也越来越担忧。

长期以来,海洋粒子积累被认为是偶然碰撞和粘附的结果。但是一个完全不同的、意想不到的现象正在水柱中起作用。和许多发现一样,这次的发现也是偶然开始的。一个研究生打算展示一个客厅里最喜欢玩的把戏;把球体倒入装有盐水的容器中会如何“弹跳”在它们到达底部的过程中,只要流体的密度均匀地分层。但是负责实验的学生在设定较低流体的密度时犯了一个错误。球体反弹,然后挂在那里,淹没但没有下沉到底部。资料来源:罗伯特·亨特/北卡罗来纳大学教堂山分校

长期以来,海洋粒子积累被认为是偶然碰撞和粘附的结果。但一个完全不同的和意想不到的现象是在工作在水柱,根据今天发表的一篇文章(2019年12月20日)由教授领导的研究小组在自然通讯理查德·麦克劳克林和罗伯托·Camassa卡中心的跨学科应用数学学院的艺术,以及他们的北卡罗来纳大学教堂山分校研究生罗伯特·亨特和布朗大学工程学院的丹·哈里斯。

在这篇论文中,研究人员证明了悬浮在不同密度流体中的粒子,比如不同盐度层的海水,表现出了两种之前未被发现的行为。首先,这些粒子在没有静电或磁性吸引的情况下自组装,对于微生物来说,也没有鞭毛或纤毛之类的推进装置。其次,它们聚集在一起,不需要任何粘合剂或其他粘合力。星系团越大,引力越强。

和其他许多发现一样,这个发现是几年前偶然发现的,当时卡马萨和麦克劳克林在联合应用数学和海洋科学流体实验室为贵宾们做演示。长期以来,这对夫妇一直对分层液体着迷,他们想展示一个客厅里最喜欢的把戏——把球体倒入装有盐水的容器中会如何“弹跳”在它们到达底部的过程中,只要流体的密度均匀地分层。但是负责实验的研究生在设定较低流体的密度时犯了一个错误。球体反弹,然后挂在那里,淹没但没有下沉到底部。

“然后我做了一个很好的决定,”麦克劳克林说,“不要收拾这些乱七八糟的东西。回家吧,他对研究生说。我们待会再谈。第二天早晨,这两个球还悬在空中,但它们已经开始聚集在一起了没有明显原因地自行装配。

研究人员最终发现了原因,尽管这需要两年多的基准实验研究和大量的数学计算。

你可以在研究人员制作的视频中看到这种现象。将塑料微珠放入盛有盐水的容器中,盐水顶部覆盖着密度较小的淡水,在重力的作用下,塑料微珠被向下拉,在浮力的作用下被向上推。当它们悬浮时,浮力和扩散之间的相互作用作用于平衡盐的浓度梯度创造流动的微珠,使他们慢慢移动。然而,它们不是随机移动,而是聚集在一起,解决它们自己的拼图游戏。随着团簇的增大,流体力也随之增大。

“就好像我们发现了一种有效的新力量,”Camassa说。

这个以前不为人知的第一原理机制的发现打开了理解物质在环境中如何组织的大门。在高度分层的水体中,如河口和深海,能够用数学方法理解这种现象,可能使科学家能够建模和预测生物热点的位置,包括商业鱼类或濒危物种的觅食地。利用这一现象的力量可能也会导致找到海洋微塑料甚至深海石油泄漏的更好方法。或者,在工业规模的流体实验室实验中,该机制可能用于对不同密度的材料进行分类,例如不同颜色的可回收碎玻璃。

“我们多年来一直在研究分层系统,主要是研究物质是如何穿过它们的,”麦克劳克林说。“这是我职业生涯中最激动人心的事情之一。”

层状流体中颗粒聚集和自组装的第一性原理机制Roberto Camassa, Daniel M. Harris, Robert Hunt, Zeliha Kilic和Richard M. McLaughlin, 2019年12月20日,《自然通讯》。

DOI: 10.1038 / s41467 - 019 - 13643 - y

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