观察浑浊液体新方法使浑浊水滴的膨胀可见

在雾中行驶时，汽车前灯的作用有限，因为光线会被悬浮在空气中的水粒子散射。当您试图借助白光观察水中一滴牛奶的内部或蛋白石宝石的内部结构时，情况也类似。在所有这些情况下，多重光散射效应都会阻碍对内部的检查。

约翰内斯·古腾堡大学美因茨分校 (JGU 和海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校 (HHU 的研究人员团队现已克服这一难题，并展示了一种研究结晶滴内部的新方法。他们的研究成果最近发表在《软物质》杂志上。

单色照明揭示了问题

我们都知道，将一滴墨水滴入水中，墨水颗粒会通过简单的扩散逐渐分散。然而，如果一滴墨水由相互强烈排斥的颗粒组成，情况就不一定一样了。

目前，对一些相当奇特的材料(如尘埃等离子体进行了一些模拟，尘埃等离子体与构成太阳的物质一样，由排斥性粒子组成。对于悬浮在液体中的排斥性粒子组成的液滴，一直没有做出预测。此外，在实验上，所有测量这种液滴三维行为的尝试都以失败告终。

然而，研究人员现在已经开发出一种使用非常简单的实验室工具的方法，可用于在白光无法穿透且不宜使用 X 射线的情况下进行研究。他们的方法利用了多重散射光的颜色取决于粒子局部浓度这一事实。当材料是晶体时，这种效果甚至会增强。因此，不同粒子浓度的区域将呈现不同的颜色。

原则上，浓缩区域会发出明亮的蓝色光芒，而颗粒相距较远的其他区域则会呈现微红色。用白光(不同波长的混合光照射液滴时，所有颜色都会同时散射，因此几乎不可能确定整个浑浊且发白的液滴中每种颜色的确切来源。

约翰内斯堡大学的帕尔伯格教授解释说：“我们通过连续用不同的单色光(即不同波长的光照射液滴克服了这一困难。”对于每种波长，多重散射只发生在粒子浓度合适的区域，而液滴的其余部分在该波长下变得透明。

“因此，我们能够看到红光或蓝光从液滴深处散射到的确切位置。利用我们的技术，我们现在可以以高空间和时间分辨率检查结晶、浑浊液滴甚至其他云状介质的密度分布。”

例如，该方法可用于分析沉淀浆料的浓度梯度或确定搅拌用溶剂稀释的油漆时获得的均匀度。

晶滴的复杂膨胀曲线

在他们最近的论文中，研究人员应用了他们的新方法研究悬浮液滴，这些悬浮液滴由悬浮在水中的带相同电荷且相互排斥的小聚合物球组成。最初，这些粒子相互作用非常强烈，以至于未稀释的悬浮液形成多晶材料。这种悬浮液的外观与宝石蛋白石非常相似，并显示出非常强烈的多重散射。然而，一旦将一滴悬浮液放入水中，它就会开始膨胀。

“通过这项开创性的工作，我们能够确定这种晶体材料的膨胀曲线相对复杂。它既没有具有精确定义外边缘的恒定整体密度，也没有像人们所期望的那样在液体介质中一滴非排斥性粒子上形成简单的扩散曲线，”Palberg 说。

此外，由于粒子之间的相互排斥，晶球最初会迅速膨胀，随后由于晶体的稀释而在液滴边缘崩解，液滴逐渐开始收缩。

当美因茨大学进行实验室实验时，HHU 教授 Hartmut Löwen 的团队正在基于动态密度泛函理论对密度分布进行理论建模。

“实验结果和建模结果之间存在良好的相关性，表明这种理论具有良好的预测能力，”Löwen说。

事实上，计算出的密度分布还显示出中心最大密度和径向密度梯度随时间变平。值得注意的是，甚至连结晶滴的最大膨胀时间都预测得非常准确。可以得出结论，滴的大小由两个相反的过程决定：它不断膨胀，同时在其轮廓处融化。

研究人员总结道：“这两个过程的相互作用产生了一种膨胀情景，它在定性方面与等离子体模型的预测不同。”他们现在计划继续进行研究，系统地改变粒子的排斥力水平，以找出这会如何影响密度分布和膨胀动力学。