肉眼看不見的奇妙世界

 木白

眼睛作為一個視覺器官，使我們看到了周圍世界里五光十色、千姿百態(tài)的景象。然而，在我們生活的現(xiàn)實(shí)世界里，還有許多奇妙景象是人們的肉眼看不見的。
這是為什么呢？首先，讓我們來看看，視覺是怎樣形成的？大家知道，人眼對光線的刺激可以產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的反應(yīng)，表現(xiàn)有多種功能。當(dāng)人們看東西時，物體所反射的光線經(jīng)過瞳孔和晶狀體，落在視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)細(xì)胞在受到光刺激后，將光信號轉(zhuǎn)變成生物電信號，通過神經(jīng)系統(tǒng)傳至大腦，再根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)、記憶、分析、判斷、識別等極為復(fù)雜的過程而構(gòu)成視覺，在大腦中形成物體的形狀、明暗及顏色等概念。于是，我們這就得到了物體的影像，或者用通俗的話說，我們就看見了物體。一般而言，人眼視網(wǎng)膜的視角只有1分，所以能分辨的最小尺度為約為0.1毫米，當(dāng)然這還和視物的距離、視力的好壞有關(guān)。此外，對于無色透明物體（例如空氣等），由于光線只有透射而沒有反射，人們對它們的存在和結(jié)構(gòu)也往往無法辨認(rèn)。因此，我們?nèi)庋蹖χ車澜缋锏脑S多奇妙景觀是“視而不見”的，但力學(xué)可以借助于實(shí)驗(yàn)觀察和理論計(jì)算等手段給我們揭示出一些肉眼看不見的美麗世界。這里就以2014年6月期《力學(xué)園地》的“精彩圖片”欄目中的幾個實(shí)例來說明之。
1、珍珠母納米斷口景觀

當(dāng)我們到海邊度假時，都會見到各種各樣的貝殼。它們形狀各異、色彩艷麗，十分令人喜愛，不少人還會挑選一些最愛帶回家珍藏起來。而力學(xué)家對它們的喜愛則在于它們具有非常好的強(qiáng)韌性，例如貝殼和粉筆的成分都是碳酸鈣晶粒，但粉筆一折就斷而貝殼難得多。于是，力學(xué)家把貝殼切開，然后把斷口放到可以放大幾十萬倍的電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。大家從這張納米斷口顯微照片中可以看到，原來貝殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有特殊的有序排列，從外向里分別是角質(zhì)層、棱柱層和珍珠母。這張照片中上端處的“珍珠母”是貝殼的最內(nèi)層材料，具有非常高的斷裂功（是碳酸鈣晶體的3000倍）。而照片中部像飛流直下三千尺瀑布壯觀的是“棱柱層”，它的抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的幾十倍。貝殼是結(jié)構(gòu)和物性完美結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅為貝類軟體構(gòu)成了保護(hù)，也是科學(xué)家材料仿生設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。
2.嫦娥等等我

這張對木材進(jìn)行納米壓痕測試時得到的電子顯微鏡圖像，使我們看到了木材內(nèi)部的細(xì)胞！在圖片的中央有一個完整的細(xì)胞，盡管周圍的5個細(xì)胞是不完整的，但它表明了電鏡測試的范圍內(nèi)有一個被細(xì)胞壁完整包圍著的細(xì)胞核。根據(jù)圖中所給出的標(biāo)尺，我們可以知道這種木材細(xì)胞的尺度大約為40微米（1微米是1毫米的千分之一）。這個試驗(yàn)是為了研究木材這類纖維材料加工時的切割性能，力學(xué)家就在細(xì)胞壁的部位上壓一個納米尺度的“印痕”（1納米是1微米的千分之一）。在壓痕過程中可以測量出作用力-壓痕深度的曲線來，然后力學(xué)家就可以用求算出材料的力學(xué)性能,并且告訴工程師怎么切割木材最省力。當(dāng)然，這只“小兔子”在細(xì)胞核里出現(xiàn)是偶然的，不過搞科研時我們都要特別注意觀察所有的現(xiàn)象。如果有過去沒有觀察到的而且能夠重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象，就要抓住它并探討其中的科學(xué)道理，也許就會有創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)呢！ 3.顆粒擴(kuò)散與積聚

這個圖片給出湍流顆粒擴(kuò)散現(xiàn)象的圖像，也是理論計(jì)算結(jié)果?！巴牧鳌笔且环N常見的流動狀態(tài)，此時流體的運(yùn)動十分不穩(wěn)定，其中各點(diǎn)的速度、壓力等力學(xué)量在時間和空間中發(fā)生不規(guī)則的脈動，里面有著不同尺度的旋渦。所以，人們有時也稱湍流為“紊流”，甚至“亂流”。如果，在這種流體里加入一團(tuán)重顆粒，那么會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？顆粒會時聚時散。圖1中那個飄逸的輕紗告訴我們，重顆粒（由紫色點(diǎn)代表）都分布在哪里。大體而言，顆粒分散在流體的各個部位（這就是“擴(kuò)散”），但在某些局部區(qū)域顆粒的濃度又比較高（這就是“積聚”）。為什么呢？力學(xué)家計(jì)算了每個時刻的湍流渦量分布（上圖中圖2）與顆粒濃度分布（上圖中圖3），比較圖2和圖3可以清晰地觀察到大量顆粒在低渦量區(qū)產(chǎn)生局部積聚。這個研究很有意義的，因?yàn)轭w粒擴(kuò)散和積聚現(xiàn)象在我們的日常生活當(dāng)中大量存在，例如大氣中的污染物擴(kuò)散、云層中的水滴分布以及化工中的反應(yīng)物混合等。
4. 蝙蝠飛行中的流線

蝙蝠是唯一能夠飛行的哺乳動物，它們在空中盤旋自如，能迅速地捕捉昆蟲。蝠翼由十多個關(guān)節(jié)和無比柔軟的皮膜組成，它是怎樣產(chǎn)生升力的呢？力學(xué)家通過求算蝙蝠在飛行中的流線來解釋這個問題，當(dāng)然這個計(jì)算可不像加減乘除那么簡單，必須依靠計(jì)算機(jī)完成。這張俯視圖給出了齁形長舌蝠周圍空氣的流動情況，其中每條流線的切線方向表示空氣在該點(diǎn)的速度方向?？梢钥吹皆趦梢淼那熬?、翼尖和翼根處都產(chǎn)生了旋渦（流線卷成螺旋狀）。航空工程師曾發(fā)現(xiàn)前緣渦可以提高飛機(jī)的升力，但這種前緣渦很容易脫落，又會引起升力的突然降低，往往引起災(zāi)難性的后果（這就是飛機(jī)的“失速”）。蝙蝠能巧妙地調(diào)整蝠翼形狀和飛行速度，使前緣附近形成沿翼展方向的流動，避免了前緣渦的脫落，從而確保了高升力。我們?nèi)祟愐獙W(xué)習(xí)蝙蝠的“不失速機(jī)制”來設(shè)計(jì)下一代新型飛行器。

5.螞蟻?zhàn)惚砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)

  

   
  
小小螞蟻是孩子們喜愛的動物朋友之一，觀看螞蟻如何搬新家、如何運(yùn)食物、如何打群仗是那么的有趣！這張圖片告訴我們力學(xué)家是怎樣研究螞蟻?zhàn)愕模繄D中黑蟻照片的左側(cè)是它的足尖的圖像，這是在光學(xué)顯微鏡下拍攝的。可以看到，螞蟻?zhàn)愕那岸擞袃蓚€“爪鉤”，它們相互垂直，中間還長著一個“圓囊”。下面那個圖像是繼續(xù)放大，讓大家可以看清這個圓囊結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。當(dāng)然，僅僅看到這些結(jié)構(gòu)不能說明什么問題。我們的力學(xué)家又進(jìn)一步觀察研究螞蟻是如何行走的？他們發(fā)現(xiàn)：如果是在粗糙表面上，螞蟻使用兩個爪鉤抓住表面的突起物來實(shí)現(xiàn)行進(jìn)的動作；如果是在光滑表面上，螞蟻運(yùn)用圓囊的反復(fù)放縮來實(shí)現(xiàn)行進(jìn)的動作，有時它還會分泌一些液體以增加和表面間的粘附力。所以，我們現(xiàn)在就可以明白，為什么螞蟻竟然可以在玻璃上行走的奧秘了！

6.單層水分子的運(yùn)動

兩個固體界面之間的粘附性能是力學(xué)家研究的一個重要問題，而環(huán)境有一定濕度后往往會在固體表面上形成一層“水膜”。如果濕度小于90%，一般空氣中的水不會凝結(jié)成為水滴，所以有可能在表面上形成“單層”水分子膜。力學(xué)家把這么薄的水膜叫做“類固體”，因?yàn)樗粫裢ǔ５乃w那樣流動。力學(xué)家還告訴我們這種單分子水膜可以增加界面間的粘附力，由于這個原因，壁虎可以牢牢地貼附在有一點(diǎn)潮濕的表面上，但是它們無法貼附在撒有大量水的表面上。大家知道，一個水分子的直徑只有0.4納米，所以研究這種水膜的作用屬于目前十分熱門的“納微力學(xué)”領(lǐng)域。這幅圖展示的是一個計(jì)算結(jié)果，在初始時刻水分子在表面有一種排列（圖中用不同顏色表示它們的初始位置），但是它們很快重新分布，達(dá)到一種熱平衡狀態(tài)，以滿足能量最低的原則。

7.最小的紅蝙蝠

人類的牙齒具有咀嚼食物、幫助發(fā)音和保持面部外形的功能。從結(jié)構(gòu)而言，牙齒分為牙冠、牙頸和牙根；從組成而言，牙齒具有牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓。牙髓組織位于牙齒內(nèi)部的牙髓腔內(nèi)，主要包含神經(jīng)、血管、淋巴和結(jié)締組織，還有排列在牙髓外周的造牙本質(zhì)細(xì)胞，其作用是造牙本質(zhì)。當(dāng)牙冠某一部位有齲或其它病損時，可在相應(yīng)的髓腔內(nèi)壁形成一層牙本質(zhì)，以補(bǔ)償受損的牙冠厚度。牙髓的基質(zhì)富含纖維且具有粘性。這幅圖是人牙髓成纖維細(xì)胞的熒光顯微圖片，所謂的“成纖維細(xì)胞”就是能夠生成纖維的細(xì)胞。為了看清楚細(xì)胞內(nèi)的情況，要對樣品進(jìn)行熒光注射處理。圖中那些熒光閃閃的紫色圓斑就是成纖維細(xì)胞的細(xì)胞核，那一個個紅色的小“蝙蝠”則是肌動蛋白絲。通過在顯微鏡下的連續(xù)觀測，力學(xué)家可以掌握細(xì)胞是如何活動的，這樣就可以研究成纖維細(xì)胞的生長過程。

8.湍流結(jié)構(gòu)圖示

這幅圖顯示了高雷諾數(shù)下均勻各向同性湍流中“渦量擬能”的等值曲面，其中色彩的變化反映了壓力在這些曲面上的分布情況。雖然這是一種理想的湍流運(yùn)動形式，此時流體在任意位置、向任何方向的運(yùn)動都具有相同的統(tǒng)計(jì)特性，比如這里提到的渦量擬能（它是流體角速度的平方）。但是流動結(jié)構(gòu)是復(fù)雜紛亂的，這表明了湍流在空間尺度上的復(fù)雜性和隨機(jī)性。為了計(jì)算這種流體運(yùn)動，需要把圖中的正方體盒子分成大小相等的511 511 511個小格子，然后采用高精度的偽譜方法對這個盒子里面的流體運(yùn)動做計(jì)算機(jī)模擬。在這個圖示里，混亂分布的渦量擬能柱狀結(jié)構(gòu)看起來沒有什么規(guī)律可循，但是如果長時間觀察這些結(jié)構(gòu)（它們會不斷產(chǎn)生變化，比如扭曲、纏繞、產(chǎn)生或者消失）并對它們不斷變化的數(shù)值做平均，就會發(fā)現(xiàn)渦量擬能統(tǒng)計(jì)平均值在盒子中任何位置都是相等的！正是這些復(fù)雜隨機(jī)而又有規(guī)律可循的特性讓湍流的研究工作變得非常有趣。