Von „Tränen des Weins“ bis zur magischen „Oberflächenspannung“

Traubenwein und leuchtender Kelch,

Die Pipa-Musik drängt mich zum Trinken.

Lachen Sie nicht über mich, wenn ich betrunken auf dem Schlachtfeld liege.

Wie viele Männer sind im Laufe der Geschichte aus dem Krieg zurückgekehrt?

Dies ist „Liangzhou Ci“ von Wang Han, einem Grenzdichter der Tang-Dynastie. Der Eröffnungssatz bringt die extravagante und luxuriöse kleinbürgerliche Stimmung voll zum Ausdruck, die ausreicht, um Menschen auch ohne Alkohol zu berauschen! Wen interessieren schon die heroischen und tragischen Gefühle, die die Soldaten später zum Ausdruck bringen?

Lassen wir die poetischen und malerischen Einzelheiten außen vor und sprechen wir nur von den „Tränen des Weins“.

1. Was sind „Tränen des Weines“?

Beim Weintrinken ist es im Allgemeinen angebracht, 1/3 des Fassungsvermögens des Glases einzuschenken. Der Zweck besteht einerseits darin, das Schütteln des Glases zu erleichtern, sodass der Wein vollständig mit Sauerstoff in Kontakt kommt, langsam erwacht, sein reiches Aroma freisetzt und einen milderen Geschmack erhält; Andererseits dient es dazu, die Farbe des Weins besser zu beobachten, das Jahr und die Sorte des Weins zu beurteilen und andere Informationen zu erhalten. und andererseits soll es das Beobachten der „Tränen des Weines“ erleichtern.

Wenn wir das Weinglas leicht schütteln, wirbelt der Wein im Glas herum, und dann bilden sich Flüssigkeitssäulen an der Glaswand, die langsam an der Glaswand entlang nach unten gleiten und Weinspuren an der Wand hinterlassen; dünn und lang, wie die schlanken Beine einer schönen Frau und wie die Tränen auf Lin Daiyus Wangen. Bei diesen Weinsäulen handelt es sich um die legendären „Weintränen“, „Weinbeine“, „Weinfüße“ oder „Pokalbehänge“. Die romantischen Franzosen nennen es „Tränen des Weins“ (Abbildung 1) – es ist sehr charmant und romantisch.

Abbildung 1 „Tränen des Weins“

Der Traubenwein im leuchtenden Becher von „Liangzhou Ci“ lässt auf natürliche Weise „Tränen aus Wein“ vergießen. Sind diese „Tränen aus Wein“ gerührt vom tragischen Heldentum der Westlichen Regionen oder sind sie untröstlich über ihre eigene Unfähigkeit zu helfen? Oder hat vielleicht jemand traurige Tränen in den Wein fallen lassen?

Warum hat Wein „Tränen“? Bevor wir diese Frage beantworten, wollen wir uns einige grundlegende Kenntnisse aneignen.

2. Was ist „Oberflächenspannung“?

Die Oberflächenspannung ist die Tendenz einer ruhenden Flüssigkeitsoberfläche, sich auf die kleinstmögliche Oberfläche zusammenzuziehen.

Die Definition ist streng, aber die Fachbegriffe sind schwer zu verstehen. Lassen Sie es mich auf Mandarin erklären.

Zwischen benachbarten Molekülen einer Flüssigkeit besteht eine gegenseitige Anziehung. Innerhalb der Flüssigkeit wirken auf die Flüssigkeitsmoleküle die umgebenden, benachbarten Flüssigkeitsmoleküle ein. Diese Kräfte sind in alle Richtungen der Moleküle gleichmäßig verteilt, sodass ihre kombinierte Kraft Null ist (Abbildung 2).

Abbildung 2 Mechanismus der Oberflächenkräfte

Auf der Oberfläche einer Flüssigkeit (dem in Abbildung 2 dargestellten Flüssigkeitsfilm) ist die Situation anders. Dabei sind die Flüssigkeitsmoleküle nicht in allen Richtungen gleichmäßigen Kräften ausgesetzt, sondern die resultierende Kraft, der sie ausgesetzt sind, ist in das Innere der Flüssigkeit gerichtet; Unter der Wirkung dieser resultierenden Kraft scheinen diese Flüssigkeitsmoleküle nach innen gezogen zu werden. Dadurch entsteht ein innerer Druck in der Flüssigkeit und die Flüssigkeitsoberfläche neigt dazu, sich nach innen auf eine minimale Fläche zusammenzuziehen.

Gleichzeitig entsteht aufgrund der gegenseitigen Anziehung zwischen Flüssigkeitsmolekülen an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms auch eine Spannung „parallel“ zur Oberfläche in Tangentialrichtung des Flüssigkeitsfilms, die als Oberflächenspannung bezeichnet wird.

Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich die Flüssigkeit so verhält, als ob ihre Oberfläche von einer gespannten elastischen Membran bedeckt wäre.

Es ist ersichtlich, dass Oberflächenspannung auftritt, weil die Anziehung zwischen Molekülen auf mikroskopischer Ebene unausgeglichen ist; Sie ziehen aneinander, was sich als Oberflächenspannung äußert.

3. Was ist der „Marangoni-Effekt“?

Der Marangoni-Effekt bezeichnet das Phänomen des Massentransfers aufgrund des Oberflächenspannungsgradienten an der Grenzfläche zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Oberflächenspannung.

Ich werde es weiterhin auf Mandarin erklären.

Wenn zwei Flüssigkeiten in Kontakt kommen, übt die Flüssigkeit mit der höheren Oberflächenspannung einen stärkeren Zug auf die umgebende Flüssigkeit mit der niedrigeren Oberflächenspannung aus. Dadurch entsteht ein Oberflächenspannungsgradient (d. h. ein Spannungsunterschied), der dazu führt, dass die Flüssigkeit von der Richtung der niedrigeren Oberflächenspannung in die Richtung der höheren Spannung fließt (Abbildung 3). Es ist wie ein Tauziehen zwischen zwei Gegnern: Der Stärkere wird den Schwächeren ganz natürlich auf seine Seite ziehen.

Abbildung 3 Schematische Darstellung des Marangoni-Effekts

In ähnlicher Weise erhöht sich die Oberflächenspannung derselben Lösung aufgrund ihrer hohen Konzentration. Wenn daher Lösungen unterschiedlicher Konzentration zusammengegeben werden, tritt der Marangoni-Effekt auf und die verdünnte Lösung dringt in die konzentrierte Lösung ein und fließt in diese hinein.

Dieses Phänomen wurde 1855 vom britischen Physiker James Thomson entdeckt. Der italienische Physiker Carlo Marangoni untersuchte das Phänomen jedoch im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Pavia und veröffentlichte seine Ergebnisse 1865. Seitdem wird dieses Phänomen unter dem Begriff Marangoni-Effekt zusammengefasst.

4. Wie entstehen „Tränen des Weines“?

„Tränen des Weins“ werden durch den Marangoni-Effekt des Weins verursacht.

Die Entstehung der „Weintränen“ hängt mit Alkohol zusammen. Zunächst möchte ich hier zwei Punkte ansprechen. Einer davon ist, dass Alkohol eine geringere Oberflächenspannung als Wasser hat. Zweitens ist Alkohol hochgradig flüchtig.

Wassermoleküle bestehen aus Wasserstoffatomen und Sauerstoffatomen. Sauerstoffatome werden leicht von den positiv geladenen Wasserstoffkernen angezogen, und diese Kraft wird als „Wasserstoffbrückenbindung“ bezeichnet. Wasserstoffbrücken sind viel stärker als normale intermolekulare Kräfte. Im Vergleich dazu sind die Bindungskräfte zwischen Alkoholmolekülen (wissenschaftlicher Name: Ethanol) viel schwächer. Aufgrund der starken Wasserstoffbrücken weist Wasser eine extrem hohe Oberflächenspannung auf. Die Oberflächenspannung von Alkohol ist viel geringer als die von Wasser und Alkohol verdunstet sehr leicht.

Wenn Sie ein Weinglas schwenken, steigt der Wein an den Seiten des Glases hoch. Erhöhen Sie die Kontaktfläche zwischen Wein und Luft. Lässt den Alkohol leichter verdunsten. Generell verdunstet Alkohol oben am schnellsten, da er dort am dünnsten ist. Dies bedeutet, dass die Alkoholkonzentration oben niedriger ist als in anderen Teilen des Weins und daher die Oberflächenspannung oben höher ist. Durch diesen Unterschied in der Oberflächenspannung an der Glaswand wird der Wein „von unten nach oben“ gezogen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Angetrieben durch die kontinuierliche Verdunstung des Alkohols fließt die Flüssigkeit weiter nach oben. Nachdem der Wein jedoch hochgezogen wurde, kann er nirgendwo hin und sich nur an der Glaswand sammeln und einen gewölbten Tropfen bilden, bis die Oberflächenspannung nicht mehr ausreicht, um der Schwerkraft des Tropfens standzuhalten und dieser widerwillig „Tränen vergießt“ (Abbildung 4). Dies ist das Prinzip der Entstehung von „Tränen aus Wein“.

Abbildung 4 Das Entstehungsprinzip der „Weintränen“

Daher handelt es sich bei den „Tränen des Weins“ eigentlich um eine Geschichte aus der „Romanze der Drei Königreiche“ über Alkohol, Wasser und Luft, oder man kann es als ein Tauziehen zwischen Oberflächenspannung und Schwerkraft bezeichnen.

Der Ausdruck „Tränen des Weins“ bedeutet einfach, dass Menschen dem Wein menschlichere Emotionen verleihen. Wein hat offensichtlich nicht die Fähigkeit, Tränen zu vergießen. Der Ausdruck „Weinbeine“ ist reine Fantasie von Weinliebhabern. Wein hat offensichtlich nicht die Fähigkeit, Beine zu bekommen. Auch Klassenkamerad „Cheng*Yang“ braucht nicht zu seufzen: „Guter Wein bleibt im Becher“ – ist es die Trauer des Weins oder das Zurückbehalten des Bechers?

Tatsächlich haben Weine mit hohem Alkoholgehalt schöne „Weintränen“ und „Weinbeine“. Wenn nicht eingegriffen wird, wird der Wein, egal ob Rot- oder Weißwein, solange es sich um einen hochprozentigen Wein handelt, „Weintränen“ vergießen und „Weinbeine“ bekommen.

Durch einfaches manuelles Eingreifen werden jedoch keine „Weintränen“ und „Weinbeinchen“ auftreten – nachdem Sie den Wein eingeschenkt haben, decken Sie das Weinglas einfach schnell und vollständig ab, um zu verhindern, dass der Alkohol verdunstet, und schütteln Sie dann das Weinglas, und das Phänomen der „Weintränen“ und „Weinbeinchen“ wird verschwinden.

Hier ist eine Hausaufgabe: Hat die Qualität des Weins etwas mit den „Tränen des Weins“ zu tun?

5. Was nützt der magische „Marangoni-Effekt“?

Viele gerichtete Übertragungsprozesse in der Natur haben ihren Ursprung im Marangoni-Effekt. Mittlerweile haben viele Menschen den Marangoni-Effekt in verschiedenen Ingenieurspraktiken für viele Dinge genutzt. Um das Interesse der Studierenden zu wecken, werde ich einige Beispiele nennen.

(1) Warum kann man nicht in kochendes Wasser urinieren?

Der Legende nach fließt das Wasser gegen den Strom, wenn man in heißes Wasser uriniert, und die urinierende Person verbrüht sich.

Viele Menschen haben zu diesem Thema entsprechende Experimente durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse waren dieselben wie in der Legende angegeben. Das heiße Wasser floss zusammen mit dem Wasser mit der niedrigeren Temperatur flussaufwärts und verbrühte den kleinen JJ (Abbildung 5). Denn gemäß dem Maragni-Effekt hängt die Größe der Oberflächenspannung auch mit der Temperatur zusammen und das heiße Wasser fließt stromaufwärts!

Abbildung 5: Das Pinkeln in heißes Wasser kann auch dann Verbrennungen verursachen, wenn Sie hoch stehen und weit weg pinkeln.

(2) Warum fordern Experten die Menschen oft auf, ihre Toiletten zu reinigen?

Eine Toilette, die sauber aussieht, enthält oft verschiedene Bakterien oder andere Dinge, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.

Die Toilette ist nicht sauber und die Leute urinieren hinein. Wenn Sie nicht aufpassen, gelangen Bakterien mit dem Urin in den Urin und verursachen eine Harnwegsinfektion.

(3) Anwendung in der Metallurgie, der chemischen Industrie und anderen Bereichen

In der metallurgischen Industrie beispielsweise führt der Marangoni-Effekt aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenspannung verschiedener Metalle nach dem Schmelzen zu einer Migration des flüssigen Metalls, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der verschiedenen Metalle führt. Die scheinbar unabhängigen Wein- und Metallurgieindustrien sind aufgrund desselben physikalischen Phänomens miteinander verbunden!

(4) Meerwasserentsalzungstechnologie

An der Grenzfläche zwischen Meerwasser und Luft herrscht ein Salzkonzentrationsgradient, der einen Oberflächenspannungsgradienten erzeugt, der eine zusätzliche Antriebskraft für die Bewegung von Lösungsmitteln und gelösten Salzstoffen darstellt. Der Oberflächenspannungsgradient entlang der Schnittstelle erzeugt eine tangentiale Kraft und bildet eine Gleitgeschwindigkeit, die das Meerwasser dazu bringt, von einer niedrigen zu einer hohen Oberflächenspannung zu fließen (Abbildung 6).

Abbildung 6 Funktionsprinzip des „Marangoni-Effekts“ der Meerwasserentsalzungstechnologie

(5) Der Marangoni-Effekt ist für die Ausbreitung der Flüssigkeit und das dadurch erzeugte Muster verantwortlich, ebenso wie für die Marangoni-Konvektion in der Lösung unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Shum Ho-cheung vom Department für Maschinenbau der Universität Hongkong hat zusammen mit einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Neil Ribe von der Universität Paris-Saclay in Frankreich seine Forschungsarbeit in Nature Communications veröffentlicht: Generation of Fermat's spiral patterns by solutal Marangoni-driven coiling in an aqueous two-phase system, [2023-12-17].DOI:10.1038/s41467-022-34368-5. In der Abhandlung wird über ihren Durchbruch in der Strömungsmechanik berichtet, bei dem sie ein dreidimensionales Marangoni-Materialtransportsystem in einem zweiphasigen Wassersystem entwickelt haben (Abbildung 7). Materialien können regelmäßig von Tröpfchen auf die Flüssigkeitsoberfläche übertragen und geordnet verteilt werden, was neue Ideen für die Entwicklung innovativer automatischer Spinnsysteme liefert.

Abbildung 7 Marangoni-Effekt-bedingte Flüssigkeitsausbreitung und das erzeugte Muster sowie Marangoni-Konvektion in der Lösung unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche

(6) Marangoni-Effekt bei der Hämodialyse

In der Medizin wurde der Marangoni-Effekt genutzt, um ein System zur Unterstützung der Hämodialyse zu entwickeln (Abbildung 8). Mit dieser Methode können Menschen eine Hämodialyse effizienter durchführen.

Abbildung 8 Marangoni-Effekt bei der Hämodialyse

Die Hämodialyse ist eine der Nierenersatztherapien für Patienten mit akutem und chronischem Nierenversagen. Das im Körper befindliche Blut wird aus dem Körper abgeleitet und durch einen Dialysator geleitet, der aus unzähligen Hohlfasern besteht. Das Blut und eine Elektrolytlösung (Dialysat) mit körperähnlicher Konzentration werden innerhalb und außerhalb der Hohlfasern durch eine semipermeable Membran dialysiert. Der Austausch von Substanzen erfolgt nach den Prinzipien der Diffusion, Ultrafiltration, Adsorption und Konvektion, um Stoffwechselabfälle aus dem Körper zu entfernen, den Elektrolyt- und Säure-Basen-Haushalt aufrechtzuerhalten und überschüssiges Wasser aus dem Körper zu entfernen. Der gesamte Vorgang der Rückführung des gereinigten Blutes wird als Hämodialyse bezeichnet.

Das Hauptprinzip der Hämodialyse lautet: Diffusion + Konvektion. Daher ist die Frage, wie eine gleichmäßige Verteilung und Konvektionsdiffusion von Blut und Elektrolytlösung erreicht werden kann, eine zentrale wissenschaftliche und technologische Frage. Dabei spielte der „Marangoni-Effekt“ eine wichtige Rolle.

Abschließend fassen wir kurz zusammen: Oberflächenspannung > Marangoni-Effekt > Weintränen > technische Anwendungen des Marangoni-Effekts. Wenn wir diesem roten Faden folgen, von den „Tränen des Weins“ bis zur magischen „Oberflächenspannung“, haben wir erkannt, wie viele interessante grundlegende wissenschaftliche Probleme sich hinter vielen scheinbar gewöhnlichen Phänomenen verbergen. Indem wir diese wissenschaftlichen Probleme verstehen und meistern, können wir sie in die Praxis umsetzen, um die natürliche Welt zu erschaffen und zu verändern.