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這個故事要從幾年前說起。幾年前， 卡馬薩（Roberto Camassa）和 麥克勞克林（Richard McLaughlin）兩位教授負責的應用數學和海洋科學流體聯合實驗室正在為一次貴賓參觀準備演示實驗。兩位教授專注于分層流體的研究，他們打算展示一個并不復雜但很受歡迎的“客廳小把戲”：只要鹽水由于密度差異而均勻分層，扔進鹽水中的小球會在沉入底部的過程中“彈跳起來”。

但負責實驗的研究生在設置下層流體的密度時犯了錯。小球“彈跳”后浸沒懸浮在水中，并沒有沉到底部。

麥克勞克林教授回憶說：“然后我做了一個很好的決定，暫時沒有收拾爛攤子。”他告訴那個研究生：“回家吧，我們之后再收拾。”到了第二天早上，這些球仍然懸浮在液體中，但它們開始聚在一起，似乎是毫無理由地自行聚集起來。

這個現象引起了科學家的極大興趣。他們最終找到了現象背后的潛在機制，當然，整個發現的過程包含了兩年多的基準實驗研究和大量的數學知識。

在12月20日的《自然通訊》上，他們報道了這種新的現象及其背后機制，這種現象產生了一種流體力， 能夠移動浸沒在由于密度不同而分層的流體中的微粒，并將它們聚攏在一起。這一突破為微粒如何在湖泊和海洋中積聚提供了一種新的解釋，這一發現或許可以應用在定位生物熱點、清潔環境，甚至分類和包裝等多個方面。

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在流體系統中，物質如何在重力作用下沉降和聚集是一個廣泛而重要的研究領域，它對人類和地球都有重要的影響。海洋等許多自然水體中都存在穩定的密度分層。在海中，有一種名為 海洋雪（marine snow）的現象，它指的是有機物碎屑會不斷地從上層水域沉降到深海中去。營養豐富的海洋雪不僅對全球食物鏈至關重要，而且這些碎屑最終堆積在海洋深處，造就了地球上最大的碳庫，那里也是地球碳循環中最不為人所知的組成部分之一。與此同時，隨著環境污染，人們也越來越擔心在海洋中漂浮的微塑料對環境造成的影響。

長期以來，人們一直認為海洋微粒的堆積是偶然碰撞和附著的結果。但是，根據這項新的研究，一種完全不同且出乎意料的水中機制正發揮著作用。在這篇論文中，研究人員證明懸浮在具有密度梯度的液體中（如在由于鹽度差異而分層的海水中），微粒會表現出兩種以前未被發現的行為。

首先，微粒在沒有靜電吸引或磁吸引的情況下，會自行聚集組合在一起，或者對于微生物來說，在沒有鞭毛或纖毛等推進裝置的幫助下，它們會自行聚集。其次，微粒不需要任何粘合劑或其他粘合力就會聚集在一起。它們形成的團越大，吸引就越強。

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視頻加載中...

○ 視頻來源：Robert Hunt/UNC-Chapel Hill

你可以在研究人員制作的視頻中（如上）看到這種現象。容器里裝有密度不同的分層的鹽水，上層是密度更低的淡水。微塑料珠被扔進容器中，這些塑料珠被重力向下拉，同時被浮力向上推。當它們懸浮在水中時，在浮力和平衡鹽水濃度梯度的擴散作用的相互作用下，塑料珠周圍的水產生流動，導致塑料珠開始緩慢地移動。

然而，塑料珠并不是隨機移動。最初孤立的塑料珠感受到一種相互吸引的力量，先在局部形成了團。同時這些局部的小團相互吸引，看起來它們好像開始了自己的“拼圖游戲”，正努力填滿拼圖。隨著團越來越大，流體力也逐漸增加。最終這些微塑料珠形成了一個大圓盤的形狀。

通過實驗和一系列計算及模擬，科學家發現了這個之前未知的第一性原理流體動力學現象，這為理解物質在環境中的組織方式打開了新的大門。

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在河口和深海等高度分層的水體中，從數學上理解了這一現象或許可以讓科學家模擬和預測生物熱點的位置，包括找到商業魚類或瀕危物種的覓食地。利用這一現象，也許還有機會發展出更好的方法來定位海洋中的微塑料，甚至從深海發現石油。或者在工業規模的流體實驗室實驗中，這個機制也可以用于對不同密度的材料進行分類，例如分類不同顏色的可回收碎玻璃。

麥克勞克林說：“我們多年來一直在研究分層的流體系統，通常是研究物質通過分層系統中的行為。這項發現是我職業生涯中遇到的最興奮的事情之一。”

參考來源：

https://phys.org/news/2019-12-fundamental-underwater.html