墨水的秘密智慧：物理學家破解流體力學之謎

研究人員發現，在肥皂與牛奶的實驗中，墨水因表面張力的相互作用而遵循阻力最小的路徑。一開始只是流體系統複雜性的展示，後來演變成美國物理學會流體運動展覽中的一件藝術作品，最終成為一個難題，而研究人員如今已成功破解。

他們的新研究發表在《物理評論快報》期刊上。機械工程助理教授保羅・盧扎託 - 費吉茲表示：「我們進行這個實驗，是因為很難讓人們相信減阻問題中某些效應的發生。」他的研究專長包括流動建模和研究阻力，也就是固體在流體中運動時所受到的阻力。盧扎託 - 費吉茲說：「我們對其運作方式有一個假設，而這篇論文實際上得出了該現象的數學模型。」

該研究團隊包括加州大學聖巴巴拉分校工程學教授弗雷德裡克・吉布，以及普林斯頓大學、英國曼徹斯特大學和法國雷恩大學的合作夥伴。他們特別感興趣的是，墨水有一種相當奇特的能力，能選擇並朝正確方向移動，而直覺上可能會認為墨水會以更普遍的方式擴散。

表面張力，即導致流體表面分子聚集在一起，像一層薄膜一樣抵抗外力的凝聚力，在這個墨水與牛奶的實驗中起著重要作用。肥皂作為一種表面活性劑，也就是能降低表面張力的物質，降低了墨水周圍的區域性張力，從而產生運動。然而，根據研究人員的計算，牛奶中已經存在的表面活性劑有助於墨水和肥皂的混合物「走出」迷宮。

盧扎託 - 費吉茲說：「新增的表面活性劑和原本就存在的表面活性劑最終共同發揮作用。」他解釋道，牛奶中原本就有的內源性表面活性劑形成了一個具有不同阻力的「地形」，當混合物在迷宮中移動時，會對墨水和肥皂產生反作用力。研究人員表示，死路和狹小空間的反作用力更強，而表面積最大的路徑，也就是有出口的那條路，提供了阻力最小的路線。盧扎託 - 費吉茲說：「這意味著新增的表面活性劑能立刻知道迷宮的佈局。」

這項研究補充了先前對推動墨水和肥皂運動的力的研究。這種現象稱為馬蘭戈尼效應，即當存在表面張力梯度時，例如新增表面活性劑所引入的梯度，液體會從表面張力較低的區域被拉向表面張力較高的區域。研究表明，這種效應是一個尚未被研究過的新結果，在涉及表面活性劑驅動的複雜網路運輸過程中具有重要意義，例如肺部氣道，並且可以啟發改進藥物傳遞或複雜系統中流體運輸的策略。

參考文獻：《外源性 - 內源性表面活性劑相互作用在複雜分支網路中產生異質擴散》，作者：理查德・麥克奈爾、費爾南多・坦普拉諾 - 科萊託、弗朗索瓦・J・波德塞爾夫、弗雷德裡克・吉布、保羅・盧扎託 - 費吉茲、奧利弗・E・詹森和朱利安・R・蘭德爾，2025 年 1 月 23 日，《物理評論快報》。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.034001