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      我国科学家在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象——
      金属液滴也能“在轨追逐”
       经济日报·中国经济网记者 佘惠敏

      实验观察到的金属液滴对的在轨旋转追逐运动(俯视图)。左、右图分别显示一个短程自锁的液滴对和一个长程自锁的液滴对(箭头指示液滴运动方向)。 (资料图片)

      在生活中,很多人会成为两个明星的“CP(配对)粉”。但你知道吗——我国科学家在实验室里,发现液态金属的液滴居然也能锁定“CP”,在轨追逐。这是科学家首次在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象导致的液滴协同运动行为,对于探索认识原子层级的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动问题均有启示。

      近日,来自清华大学和中国科学院理化技术研究所的刘静教授研究团队,在美国物理学会期刊《物理评论流体》上发表论文,揭示了液态金属导航波体系中的宏观波粒二象性——在导航波触发的液态金属振荡液池中,发生了量子化轨道现象及金属液滴追逐效应。

      这是科学家首次在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象导致的液滴协同运动行为。清华大学医学院生物医学工程系教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静告诉经济日报记者:“特别是其中的金属液滴在轨追逐行为十分有趣生动,对于探索认识原子层级的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动问题均有一定启示。”

      万物皆波,怎么看

      什么是导航波?这是一个量子力学中的概念。

      1924年,法国科学家德布罗意首次提出了“万物皆波”的大胆猜想,认为与光一样,一切物质均具有波粒二象性。波粒二象性是量子力学发展的基石。基于此,德布罗意提出了导航波理论来描述量子世界的运动情形。根据这一理论,量子粒子,比如电子,其运动由一个导航波场来引导。若干年后,物理学家们找到了与德布罗意导航波理论有着惊人相似之处的宏观体系,即流体导航波体系。

      在经典流体力学中,一个放置于竖直方向振动液面上的液滴能够持续在液面上弹跳而不发生融合。进一步的,这类不融合液滴会受到自身撞击液面形成的局部波作用而产生导向性水平运动。这种液滴运动,与量子力学中导航波理论描绘的量子粒子运动情形有着惊人相似之处。

      对此,我们可以回忆一下下雨天。那时,你是否看见过雨滴在水潭上激起转瞬即逝的涟漪?击打在水面上的液滴有一些并不会立即与水面融合,而是会在水面上滞留一段时间。

      这种反常的不融合现象及其背后的丰富的动力学知识,一度让物理学家们为之着迷。研究发现,不融合效应的产生,是由于液滴与液面之间的碰撞会被另外一层介质(例如空气)隔开所致。不融合现象的存在,也使得科学家们能够用液体表面来“悬浮”液滴——实现悬浮的秘诀就在于,让液面与液滴都动起来。

      论文第一作者汤剑波博士介绍,在研究中,普遍采用的是经典法拉第实验手段,即让一个液池在竖直方向上受控振动。这样一来,置于液池表面上的液滴会随着液面振动,发生周期性弹跳,继而阻止二者融合。在这样的液滴—液池系统中,弹跳的液滴每次撞击振动的液池时,均会在液池表面留下一个以液滴为中心,向外扩散的局部波场。液滴与其在液面上产生的涟漪,恰好构成了一个宏观波粒二象性体系。

      在竖直方向跳动的液滴,通过与其局部导航波的相互作用,获得水平方向的推力从而产生位移。这一液滴的自我助推状态与运动模式被形象比拟为“行走”。行走的液滴,与量子力学中导航波理论描述的量子世界粒子,有着很多相似之处。

      先前研究表明,这种流体导航波体系中的悬浮液滴能模拟量子领域的一系列神秘行为,例如隧穿、干涉等。对这种宏观层面上波粒二象性的认识,使得流体导航波研究近年来引发科学界重视。

      液滴CP,如何舞

      为什么如此重视?因为其他研究途径都太困难了:除了量子体系之外,物理系统中普遍存在着波动伴随的粒子运动,而这些行为通常要么发生在极端尺度,要么需要借助特殊条件才能实现,这给直接观测和控制带来了巨大困难。而对于宏观流体导航波体系来说,其驱动参数及系统结构均可灵活变换,易于实现。

      此前,已有研究考查了常规流体导航波体系中单个或者多个液滴的动态行为,但均具有缺点:有的仅局限于单液滴、单个导航波场,有的又让系统结构过于复杂化了——因此,科学家们想寻找一种全新液滴运动模式。现在,中国科学家们做到了。

      当流体导航波体系遇到被称作“终结者”流体的液态金属时,会发生什么?这正是来自中国研究人员想要探究的问题。

      与经典流体导航波系统中使用的常规流体,如硅油相比,室温液态金属镓铟合金具有独特的流体特性,如极大的密度和表面张力,极低的黏性等。对此,研究团队设计了一个液态金属导航波系统,来研究其宏观波粒二象性。

      “流体性质差异的确带来了不同的实验结果。但是,起初观察到的情景让人有点失望——我们无法在液态金属系统中重现液滴的‘行走’状态。而此前研究表明,实现液滴的‘行走’是激发液滴水平运动和其他更复杂行为的先决条件。”这项工作的第一作者汤剑波博士说:“然而,在尝试向液态金属系统中加入第二滴液滴的那一刻,我们立即变得兴奋起来。”

      事实证明,虽然单个液态金属液滴在水平方向上保持静止,但当两个大小不同的液滴在液池上相遇时,它们会自动耦合(自锁)成一个液滴对,并随即在液池中旋转起来。

      研究人员还发现,液态金属体系中液滴的协同运动表现出一系列十分新奇的特征:首先,这些液滴对总是精确沿着以液池的中心为圆心的同心圆环旋转。其次,液滴对做旋转运动具有方向性。液滴的协同运动既可以是两者中的大液滴追逐着小液滴旋转,也可以是小液滴追逐着大液滴旋转。而追逐的方向取决于两个液滴之间的自锁模式。

      如果两个液滴彼此相邻,液滴对则采取前一种旋转模式;反之,如果液滴彼此远离,液滴对则采取后一种旋转模式,追逐方向发生反转。更有趣的是,液态金属液滴对的旋转和追逐运动,具有不同轨道半径和不同自锁距离,且两者均具有明确的量子化数值特性。

      “看到这些活泼的金属液滴在闪烁着金属光泽的液池表面上追逐和绕转,这既使我联想到了微观核外电子围绕原子核的运动,又将其与广袤无际的宇宙天体运行联系起来。”此项工作的共同作者博士生赵曦说。

      幕后推手,应是谁

      这些引人入胜的现象背后,是液滴与液池表面的导航波场之间的一系列微妙相互作用。

      研究发现,在所有液态金属液滴对中,小液滴在弹跳中总是先于与之耦合的大液滴“抵达”液面。而正是由于这一竖直方向弹跳的不一致,引起了液滴水平方向的运动。

      “之前的系统中从没有观察到这样多样化的液滴量子化、轨道化、定向性的液滴运动,我们相信这些液滴行为的出现是液态金属的独特流体特性所导致的。”指导该研究的刘静教授说:“我们设计了一系列实验来揭示其潜在原理和机制。”

      该团队分别对液态金属液池和液滴的动力学行为开展了深入研究。他们发现,这种特殊的运动模式源于液滴与液池表面波之间的相互作用。

      “但是,与之前仅存在单个导航波场的系统不同,我们当前的系统由于液态金属自身存在的超常表面张力,会产生第二个全局导航波场。”刘静解释说:“此外,在我们的系统中,液滴是通过与其耦合的液滴局部导航波场相互作用获得水平推力。”

      研究人员还提出了一个针对复合导航波场的粒子—导航波关联框架,从而很好解释了所观察到的实验现象。他们认为,对于液态金属导航波体系的探索,一方面丰富了流体力学不稳定性的研究范畴和知识,另一方面也极大扩展了流体动力学层面波粒二象性的含义。

      “例如,我们发现液态金属液滴对在双导航波场中的在轨追逐运动,与光学系统中纳米粒子对的运动模式具有惊人相似性。”汤剑波指出:“这意味着,我们很可能在更多物理体系中发现类似运动,或者用统一的理论去理解不同物理体系的运动。”

      “我们也看到了一种可能性,即可以通过简单振动一个液态金属液池来模拟其他体系中的运动。我相信,液态金属导航波体系中肯定还存在很多值得探索的科学问题。”刘静教授补充道。

    佘惠敏

    【编辑:陈海峰】


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    白羽肉鸡40多天出笼 是科技选育结果并非打激素
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    日前,世界卫生组织有关红肉及加工肉品与癌症风险有关的报告引起热烈讨论,同时也有相关专家学者建议市民减少红肉及肉制品摄入量,提高膳食结构中白肉及果蔬的比例。而白肉里,鸡肉虽然被食用最多,不少市民却因激素、抗生素残留等问题望而却步。


    11月30日-31日,第30届(2015)山东畜牧业博览会上在济南召开,记者借此机会咨询了相关专家、企业,为大家揭开“速生鸡”的面纱,同时解疑白羽肉鸡长得快到底是不是因为吃激素。


    红肉脂肪、胆固醇含量高 专家建议多吃白肉


    所谓“红肉”,主要是指猪、牛、羊肉,因此类动物的肌肉、内脏及其制品等呈暗红色,内含血红素较多,故称红肉;而“白肉”主要是指鱼与鸡、鸭、鹅、兔以及虾、蟹、贝类等其它水产品,因肉多呈白色,故称白肉。


    过去由于生产力低下,经济不发达,交通运输落后等原因,我国大多数地区,特别是内地很难吃到鱼。而鸡鸭等又是农民用来下蛋卖钱换油、盐的,也很少拿来吃。所以从过去到现在,我国大多数人就养成了爱吃猪、牛、羊等红肉的习惯。即使到了经济发达的今天,全国各地鱼、鸡等产品的供应已相当丰富,但红肉的消费水平还远远高于白肉的消费。也正是由于吃红肉过多,才为现代冠心病、高血压、糖尿病、痛风、胰腺炎、癌症、肥胖等许多疾病的高发种下了祸根。


    现代研究表明,蛋白质按质量可分为五等:一是牛奶、鸡蛋;二是鱼虾;三是鸡鸭;四是红肉;五是植物蛋白。鸡含有多种人体自身不能合成、而只能靠食物来摄取的必需氨基酸,如亮氨酸、色氨酸等。而且还含有钙、磷、铁以及多种维生素。其中特别是乌鸡等,自古就认为是滋补强身的佳品,对维护人体健康有益。鸭与鸡所不同的,鸡性温,而鸭是水禽,故鸭肉性甘咸、性寒,更适合夏季与有阴虚内热表现的人食用与进补。而鸡鸭在脂肪的构成方面也与红肉有很大区别,尤其是鸭肉中脂肪含量很低。


    总之,吃白肉的最大好处,就是白肉脂肪含量较低,所提供的蛋白质的品质更优秀。所以,现代国内外营养保健专家一致建议人们,应适当增加白肉的摄取,宜少吃红肉。


    白羽肉鸡40多天出笼 是科技选育结果并非打激素


    白肉虽好,可是近年来,肉鸡已被“妖魔化”,“速生鸡、激素鸡”、“六个翅膀”给家禽业带来毁灭性打击。尽管“禽流感”的打击也是很大一个原因,但随着时间它的影响逐渐淡化,仅仅是一个时效性的事件,不会带来如此灾难。


    但食品安全已成为大家生活中的重要问题,鸡肉的被“妖魔化”也给人们心中留下很深的阴影,消费者不会在短时间内消除对鸡肉的误解。如何让消费者知道真相,知道鸡肉的营养价值,是当下肉鸡发展一个至关重要的问题。


    不少消费者疑问,按白羽鸡的生长速度,一般40多天就能出笼,这是不是打了激素?“激素太贵了,除非是养殖户神经病才给鸡打激素。”青岛农业大学教授、博士生导师王宝维说。


    据介绍,白羽鸡生长速度较快是由遗传育种、营养和环境所决定的,其中遗传育种的因素能占到40%。从上世纪80年代开始,我国就开始引进国外优良品种,利用并改良我国地方品种。白羽鸡生长速度快、饲料转化率高,就是在当时引进的鸡种。目前,我国黄羽肉鸡、白羽肉鸡与肉杂鸡互相补充,其中白羽肉鸡占据了目前市场的64%。


    “目前,肉鸡没有能力进行转基因,网上关于那些肉鸡是转基因来的也是谣言。”王宝维表示,“六个翅膀”的鸡等等都是无稽之谈。


    疫苗使用成本不足2毛 可降低药物残留发展健康养殖


    “肉鸡容易生病,鸡肉中会不会残留农药或者抗生素等?”不少消费者对此也有疑问。“现在,大型的肉鸡养殖企业每只鸡的用药一般在0.8元左右。”王宝维告诉记者,“有一位企业老总告诉我说,他们的目标是要把用药降到0.5元左右。”王宝维表示,畜禽产品中抗生素残留主要有三个方面的原因,分别是畜禽喂以抗生素饲料添加剂,用于防治畜禽疾病大量使用抗生素,以及滥用抗生素,有意添加。


    “我们研制的疫苗从鸡出壳就开始打,这样可以大大提高鸡体抵抗外源病毒的免疫力,从而减少其在生长期抗生素的使用,达到降低药物残留的效果。而且,这款疫苗用在一只鸡上的成本还不到2毛。”齐鲁动物保健品有限公司总经理禚宝山说。


    禚宝山告诉记者,养殖户为了不死鸡,多会用一些抗生素。但有些抗生素是允许用的,有些是不允许用的。而且必须要在出栏前前一个礼拜或者10天,要停止用药,避免抗生素在鸡体内停留。“但是目前来讲,这项规定相当一部分企业都执行不了。”禚宝山认为,药残问题关键要在管理上下功夫,现代化养殖是需依靠“控制传染源、切断传播途径、减少易感鸡群”的生物安全措施来控制疾病,不是靠吃药,科学、健康养殖的鸡群不存在药残问题。


    对于给鸡使用激素来提高生长速度的说法,禚宝山向记者解释,“经过对鸡各阶段生长营养需求的研究,养殖场给鸡提供了安全、全价、营养均衡的日粮,鸡吃的健康,长势就好,如果饲料中添加激素,既吃不起,又不长肉,得不偿失,大家不用在意这个问题。”

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