一滴水的科学与思考

（钱扬义老师推荐，刘国英研究生上传，2010-1-24）

本文引用地址： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=289729）

     俗话说，一粒沙里看世界，半片花上说人情。其中的道理也就是小的事物可以折射世间万象和人生百态。看最近科学网上大家对诸多话题讨论挺热烈的，在此以一滴水代替一粒沙，聊点科学，聊点与科学有关的思考，与大家共乐。

上面这张图的左半部份，是一个水滴。里面黄色的物质是固态不溶性颗粒物。白色区域为水滴表面反射日光灯光线所造成的。与生活中绝大部分不规则形状的水滴相比，这个水滴的底面是标准的圆形，是通过对衬底表面进行适当的化学处理所实现的，以此简化一滴水所包含的科学问题。右边的图是液滴蒸发之后，固态物质附着在衬底上所形成的形状。

    这小小的水滴，能有什么科学问题呢？呵呵，这滴水包含的问题可多了。举例来说，液滴蒸发时，接近液滴底面的微水流的方向，是沿着半径从从圆心向外，还是从边缘向圆心流动呢？ 

 事实上，一直到大约10多年前，人们可真的没有系统思考过这个看似非常简单的问题。1997年，一个叫做Robert. D. Deegan 的科技工作者在Nature上发表了一篇关于这个问题的文章，表明他第一个认真思考了这个问题。这个哥们根据蒸发后所留下的固体颗粒物的印记，推测了一个液体内部的流动应该是从圆心由内至外往边缘处流的结论。相关的推论与结果，共发表了三篇文章，除了一篇Nature，2000年还发表了两篇PRE. 这三篇文章，后来成为这一问题的开山之作，大家一提到蒸发所引起的液滴内部的流动，就会引用其中的文章，说从内到外等等。这三篇文章的引用次数到现在为止，应该超过了3000次。非常遗憾的是，Robert. D. Deegan老兄发了这三篇文章之后，就再也找不到了。因为从此再无他的学术文章可以被查到，估计是离开科研界了。

      Robert. D. Deegan 的文章发表之前，日本的一个研究组，就研究了液滴蒸发过程中其内部微流对固态颗粒物排布的影响，相关的文章，也发表在了Nature上面。

     Robert. D. Deegan的模型和结论被广泛传播，大家感觉可以用这个微毛细流来进行各种自组装的调控等等，大量相关的paper也发表了出来。结果似乎可以说，这个液体所包含的问题，真的不是小问题了。

     Robert. D. Deegan 的模型虽然和我们生活中大部分的常识相吻合，即coffee-ring问题，但是这个模型本身是相当粗糙的，因为它所考虑的影响蒸发的因素实在太少。非常遗憾的是，在相当长的时间里，甚至连怀疑这个模型是否准确的人也很少，大家可能都感觉比较麻烦，遇到这种情况，就拿Robert. D. D.eegan老兄的模型来解释了。

不过终究有相信实验数据的人，2007年，一个哈佛的研究小组在PRL上面发表了一篇关于这个液滴内部水流方向的问题，指出这个流向，并不仅仅是沿着从圆心向外的方向，和衬底的热导率是相关的。

     事实上，这个问题，到目前为止，仍然没有很好的通用模型，如果谁对这个问题有兴趣，可以和我交流，我会给您提供相关实验数据来共同研究。

    另外，不仅几毫米大小的液滴包含了很多未解的科学问题，比这个液滴更大和更小的液滴，所包含的问题也不少。

对于更小的液滴，比如水的晶化过程，现在仍然有很多从事基础研究的人来做。借助大型计算机人们可以对水的晶化过程进行模拟，寻找最可能的冰花和最稳定的状态。（图片来自百度百科，无任何商业用途）

     更大的液滴，也许不应该称液滴了，准确的说是液滴所形成的水体，需要解决的问题也很多。比如饮用水中的固态悬浮物的处理，化学物质，特别是有害物质的去除等。如果液滴汇成细流，细流汇成溪流，溪流融入太湖，可能还会遇到蓝藻爆发的问题。

     科学研究，从超级小的液滴到超级大的水体，应该都是必须的，但这些研究在现实中，还是区别很大的。研究纳米冰晶的文章，大多能大多能发表在PRL. PRB, PRE这种期刊上。对于毫米级别的液滴，文章一般也能发表在Langmuir，JPCB这种期刊上面，如果系统的建个关于蒸发过程中液滴内部流动问题的通用模型，那么PRL是肯定的了。从事这两个方面工作的博士，我想大部分毕业是没有问题的，因为毕竟有文章啊。

    对于从事水处理方面的博士生来说，虽然他的工作，可能解决了很多地方的饮用水问题，但是文章却挺难发表，所以毕业都挺困难的。至于太湖蓝藻爆发，为了不让湖中的鱼儿因为缺氧而憋死，最好的办法还是找渔民直接打捞蓝藻。那些劳动的人们，肯定不会去想，也肯定不会拿到博士学位。

     到底什么样的研究，算研究呢？这个问题可能真的不好回答。我想不同的国情，需要不同的研究。对于海地的灾民来说，现在可能都想喝上纯净的水，方便快捷的水处理器，可能是最需要的。而对于发达国家来说，研究点冰晶或者液滴里面的微流，也是可以的，毕竟这些知识，对以后的冷凝器设计，空调设计，还是有用的。对于我们这种发展中国家来说，真正需要的可能是能够改变群众生活质量的研究，比如污水处理方面等。但是现实中，做应用技术方面的科研人员的生存环境比做纯基础研究的要恶劣很多，长期以往，都去做基础研究自娱自乐去了，国家所需要的技术还需要购买外国的，结果自然是得不偿失。

       到底做出什么成果的博士，算合格的博士呢？大家接着谈，呵呵。