跳舞葡萄干一个简单的厨房实验揭示了物体如何从环境中提取能量

科学发现并不总是需要高科技实验室或巨额预算。许多人在自己的家中(即厨房)拥有一流的实验室。

厨房提供了大量的机会来观察和探索物理学家所说的软物质和复杂流体。日常现象，例如麦片在牛奶中聚集或咖啡滴蒸发时留下的环，都导致了物理和化学交叉点的发现以及食品科学家和物理学家之间的其他有趣的合作。

我和两位学生SamChristianson和CarsenGrote于2024年5月在《自然通讯》上发表了一项新研究，深入探讨了另一项厨房观察。我们研究了物体如何在碳酸液体中悬浮，这种现象被异想天开地称为“跳舞的葡萄干”。

该研究探讨了像葡萄干这样的物体如何在碳酸液体中有节奏地上下移动几分钟，甚至长达一个小时。

一条有关我们研究的推特帖子迅速走红，在短短两天内就获得了超过50万的浏览量。为什么这个特殊的实验引起了如此多的人的想象力?

冒泡物理学

苏打水和其他碳酸饮料之所以会发出气泡，是因为它们含有的气体多于液体所能容纳的气体——它们的气体“过饱和”。当您打开一瓶香槟或软饮料时，流体压力下降，二氧化碳分子开始逃逸到周围的空气中。

流体中通常不会自发形成气泡。流体是由喜欢粘在一起的分子组成的，因此流体边界处的分子有点不高兴。这会产生表面张力，这种力会减少表面积。由于气泡增加了表面积，表面张力和流体压力通常会将任何形成的气泡挤出。

但容器表面的粗糙斑块(例如某些香槟杯中的蚀刻)可以保护新气泡免受表面张力的破坏作用，从而为它们提供形成和生长的机会。

用毛巾擦拭玻璃后留下的微小管状布纤维内部也会形成气泡。气泡在这些管子中稳定增长，一旦足够大，就会分离并向上漂浮，将气体带出容器。

但正如许多在玻璃杯中放入水果的香槟爱好者所知，表面蚀刻和小布纤维并不是唯一会形成气泡的地方。在起泡饮料中添加葡萄干或花生等小物体也可以促进气泡的生长。这些浸入水中的物体充当了诱人的新表面，让二氧化碳等机会分子积聚并形成气泡。

一旦物体上长出足够多的气泡，就可以执行悬浮动作。气泡一起可以将物体提升到液体表面。一旦到达表面，气泡就会破裂，物体落回地面。然后这个过程再次开始，以周期性的垂直舞蹈动作。

跳舞的葡萄干

葡萄干是特别好的舞者。只需几秒钟，葡萄干的皱纹表面就会形成足够的气泡，然后葡萄干就会开始向上上升，而在光滑的表面上则更难形成气泡。当将葡萄干放入刚打开的苏打水中时，它可以跳20分钟充满活力的探戈，然后再跳一个小时左右的较慢的华尔兹。

我们发现旋转对于大型物体跳舞至关重要。即使顶部气泡破裂，附着在物体底部的气泡也可以使其保持在空中。但如果物体开始旋转，哪怕只是一点点，下面的气泡也会使物体旋转得更快，从而导致更多的气泡在表面破裂。这些气泡越早被清除，物体就能越早恢复垂直跳舞状态。

展望未来，该模型还提供了一种使用更容易测量的量来确定一些难以测量的量的方法。例如，仅通过观察物体的跳舞频率，我们就可以在微观层面上了解其表面的很多信息，而无需直接看到这些细节。

不同的剧场有不同的舞蹈

不过，这些结果不仅仅让碳酸饮料爱好者感兴趣。自然界中也存在过饱和流体——岩浆就是一个例子。

当火山中的岩浆上升到接近地球表面时，它会迅速减压，火山内部溶解的气体会冲向出口，就像碳酸水中的二氧化碳一样。这些逸出的气体可以形成巨大的高压气泡，并以如此大的力量出现，从而导致火山喷发。

岩浆中的颗粒物质可能不像葡萄干在苏打水中那样跳舞，但岩浆中的微小物体可能会影响这些爆炸事件的发生。

在过去的几十年里，还出现了一种不同类型的爆发——成千上万的科学研究致力于流体中的活性物质。这些研究着眼于游泳微生物和充满液体的细胞内部等事物。

大多数这些活性系统并不存在于水中，而是存在于更复杂的生物液体中，其中含有产生活动所需的能量。微生物从周围的液体中吸收营养物质以继续游泳。分子马达通过从环境中以ATP形式吸收附近的能量，沿着细胞中的高速公路运输货物。

研究这些系统可以帮助科学家更多地了解人体中的细胞和细菌如何发​​挥作用，以及这个星球上的生命如何进化到目前的状态。

与此同时，由于不同的分子组成和在其内部移动的物体，流体本身可能表现得很奇怪。许多新研究已经解决了微生物在粘液等液体中的行为，例如，粘液的行为既像粘性液体又像弹性凝胶。关于这些高度复杂的系统，科学家们还有很多东西需要了解。

虽然与在生物液体中游动的微生物相比，苏打水中的葡萄干看起来相当简单，但它们提供了一种在更具挑战性的环境中研究通用特征的简便方法。在这两种情况下，身体从复杂的流体环境中提取能量，同时也影响它，并且随之而来的是令人着迷的行为。

从地球物理学到生物学，关于物理世界的新见解将继续从桌面规模的实验中出现——也许就在厨房里。