混合兩種液體在生活中司空見慣，我們會(huì)將牛奶倒入咖啡，將奶油加入烘烤蛋糕，在制造水泥的過程中，也免不了混合攪拌，甚至在追蹤地球海洋中的塑料碎片時(shí)，了解液體混合的細(xì)節(jié)都很重要。

制作咖啡時(shí)，我們有時(shí)會(huì)用到一種圓形的攪拌器，面點(diǎn)師也會(huì)用到各種打蛋器，工業(yè)家則會(huì)用各種形狀的攪拌器，有時(shí)還需要許多個(gè)。

將兩種液體混合，從而創(chuàng)造一種同質(zhì)溶液，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的過程對(duì)人類至關(guān)重要。但什么才是混合的最佳方法呢？

最近一項(xiàng)新研究表明，我們可能都 " 攪錯(cuò)了 "。

在這項(xiàng)研究中，馬克西米蘭 · 埃戈?duì)?/strong>（Maximilian Eggl）和彼得 · 施密德（Peter Schmid）兩位科學(xué)家希望探索一下，他們是否能找到一種更普遍的方法，有效地混合兩種流體。

他們利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)攪拌器的形狀和攪拌速度會(huì)影響液體混合的過程。在發(fā)表于《物理評(píng)論 · 流體》的論文中，描述了在創(chuàng)建模擬時(shí)考慮的因素，以及發(fā)現(xiàn)的最有效的策略。

模擬兩種液體的混合

研究從一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬開始，一個(gè)從中分開的圓柱體容器里，其中有兩種純?nèi)芤?，還有兩個(gè)攪拌器，每種溶液中一個(gè)。模擬顯示了當(dāng)攪拌器圍繞圓柱體以恒定速度移動(dòng)時(shí)，兩種液體是如何混合的。

模型的初始狀態(tài)，一個(gè)圓柱體容器里有兩種溶液，還有兩個(gè)攪拌器。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

隨后，研究人員運(yùn)行了多個(gè)模擬實(shí)例，在每次運(yùn)行前都會(huì)改變一個(gè)或多個(gè)因素，比如加快速度，或者改變攪拌器的路徑或形狀，都是為了優(yōu)化混合。

使用圓形攪拌器并不能很好地混合兩種液體。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

隨著模擬一次次運(yùn)行，他們開始注意到某些因素如何有效地共同作用，混合這兩種溶液。一些因素帶來的混合效果會(huì)比其他一些更好，所謂的更好，指的是當(dāng)攪拌停止時(shí)，液體系統(tǒng)整體更為均勻。

比如，在一些模擬中，他們把攪拌器調(diào)整成一些非常不規(guī)則的形狀，讓它們看上去就像一個(gè)星星魔杖，或者一個(gè)長(zhǎng)柄鏟子。攪拌器形狀的改變可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。如果讓一個(gè)攪拌器比另一個(gè)攪拌得更快，攪拌結(jié)果可能會(huì)有所提高。

攪拌器形狀改變后的模擬，使用不規(guī)則形狀的攪拌器比圓形攪拌器能更好地混合兩種液體。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

整體而言，邊緣平滑的攪拌器比邊緣尖銳的攪拌器效果更好，比如把原先 " 星形魔杖 " 被 " 磨 " 成了犬齒的形狀，而長(zhǎng)柄鏟子變成了一只小蝌蚪，也能獲得更好的優(yōu)化。

當(dāng)使用形狀不規(guī)則的攪拌器攪拌時(shí)，不均勻的攪拌速度有助于液體混合。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

此外，如果把一個(gè)攪拌器放在更高的位置會(huì)更好，讓攪拌器向相反的方向移動(dòng)同樣有所助益。

當(dāng)加入抖動(dòng)時(shí)，用有著圓角的攪拌器能更好地混合兩種液體。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

如果在攪拌結(jié)束時(shí)，在系統(tǒng)中加入一點(diǎn)抖動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生更多渦流，也能帶來更好的混合。

研究人員模擬并優(yōu)化了不同情況的攪拌結(jié)果，包括攪拌器形狀或攪拌速度，以及綜合的優(yōu)化。（圖／Eggl, M. & Schmid, P., 2022）

攪拌的科學(xué)

兩位科學(xué)家表示，雖然在日?；蚬I(yè)應(yīng)用中，很難真正制作出那種極不規(guī)則的攪拌器形狀，但他們認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)可以對(duì)液體混合問題帶來新的啟示，幫助優(yōu)化特定應(yīng)用中的溶液混合過程，從而提高生產(chǎn)效率，并創(chuàng)造出更多的具有創(chuàng)造力的工具。