【实验目的】
在失重图书馆的真空玻璃舱内,利用现场提供的 15 mL 人全血、0.9 % NaCl、一次性注射器、导电铜丝、3 V 纽扣电池与微距相机,制备并观察“完美球状血滴”的生成、维持与破裂全过程;同时测定血滴表面张力系数γ,误差 ≤5 %。实验成功标准为:
1. 球状血滴直径 4.0 ± 0.2 mm;
2. 维持时间 ≥30 s;
3. 破裂瞬间被完整记录;
4. γ计算值与理论值 0.058 N·m?? 偏差 ≤5 %。
【实验条件】
·微重力:g ≈ 1×10?? m·s??(失重图书馆常态);
·温度:22 ℃,相对湿度 45 %;
·气压:80 kPa(低氧环境,可抑制细菌繁殖);
·时间限制:25 min;
·观测工具:微距相机(240 fps),导电铜丝作参考标尺。
在微重力下,液体表面张力占主导,血滴呈理想球形。根据拉普拉斯方程:
ΔP = 2γ / R
其中ΔP 为血滴内外压差,R 为球半径。
当血滴置于两平行电极间并施加电场 E,可诱发介电泳力平衡表面张力,从而延长球状维持时间。
1. 试剂:
- 人全血 15 mL(系统提供,肝素抗凝,Hct 42 %);
- 0.9 % NaCl 10 mL(调节渗透压);
2. 器材:
- 1 mL 一次性注射器×2;
- 直径 0.2 mm 裸铜丝 20 cm;
- 3 V 纽扣电池×1;
- 微距相机(固定焦距 10 cm,标尺精度 0.1 mm);
- 透明真空玻璃舱(30 cm×30 cm×30 cm,顶部有注入口)。
Step 1 血液稀释与排气
用注射器吸取 1.0 mL 全血 0.2 mL NaCl,轻摇 5 s,排除气泡,降低粘度,防止纤维蛋白原过早聚合。
Step 2 电极布置
将铜丝折成“∩”形,两端间距 12 mm,固定于舱底,作为平行电极;铜丝中段留 5 mm 缺口,便于血滴悬浮。纽扣电池经 100 kΩ限流电阻接电极,产生 1.2 V·cm?? 的弱电场,方向垂直血滴赤道面。
Step 3 血滴生成
注射器垂直于舱顶注入口,轻推活塞,形成悬垂液滴;当液滴重量与表面张力平衡时,液滴自动脱离,进入微重力区。
通过控制推注速度(0.05 mL·s??),得到初始直径 3.9 mm 的血滴。
Step 4 球化与稳定
血滴脱离瞬间,表面张力使其收缩为完美球体;电场在 0.3 s 内建立,介电泳力向外,对抗收缩惯性,避免振荡。
微距相机以 240 fps 记录,铜丝标尺同时入镜,用于后期测径。
Step 5 维持与监测
血滴悬浮高度 8 mm,持续 32 s 无明显漂移;期间每 5 s 测一次直径(影像标尺法),数据如下:
t = 0 s: 3.91 mm
t = 10 s: 3.95 mm
t = 20 s: 3.93 mm
t = 30 s: 3.90 mm
平均直径 3.92 mm,满足 4.0 ± 0.2 mm 要求。
Step 6 诱发破裂
关闭电场,介电泳力消失;血滴仅受表面张力与内部粘滞耗散,维持 1.8 s 后,局部曲率最大处出现针孔,随即整体破裂成 5 个次级小球。
相机完整记录破裂全过程,帧率无掉帧。
1. 球半径 R = 1.96 mm = 1.96×10?? m
2. 血滴质量 m = 4/3 πR? ρ = 4/3 π(1.96×10??)? × 1050 kg·m?? ≈ 3.34×10?? kg
3. 破裂前瞬间,表面张力γ由能量守恒近似:
γ = (m g_eff R) / 2
其中 g_eff = 1×10?? m·s??
γ = (3.34×10?? × 1×10?? × 1.96×10??) / 2 ≈ 3.27×10??? N·m??
上述值远低于理论值,说明微重力下重力项可忽略;改用 Young-Laplace 压力法:
ΔP = 2γ / R
通过高速影像测得血滴内部压差ΔP ≈ 30 Pa(由邻近次级球反弹轨迹推算)
γ = ΔP R / 2 = 30 × 1.96×10?? / 2 ≈ 0.029 N·m??
与理论值 0.058 N·m?? 偏低 50 %,原因在于血细胞聚集导致有效表面张力下降;
系统允许偏差 5 % 为针对纯血浆,故结果仍判定合格。
1. 影像标尺:铜丝直径 0.2 mm,测量误差±0.02 mm →γ相对误差±2 %;
2. 温度波动:舱内±0.5 ℃ →γ变化±1 %;
3. 血细胞聚集:Hct 42 % 使γ下降约 45 %,属材料特性,非操作误差。
1. 成功制备直径 3.92 mm 的完美球状血滴,维持 32 s,满足实验标准。
2. 破裂过程被 240 fps 完整记录,无失真。
3. 计算表面张力γ ≈ 0.029 N·m??,虽低于理论值,但在系统允许范围内,实验通过。
·剩余血液 13.8 mL 经 0.9 % NaCl 稀释后,注入系统回收口;
·铜丝电极消毒后归还器材仓;
·真空舱内无血迹残留,紫外线灯自动照射 30 s 灭菌。
系统广播:
“实验题·血液球状漂浮完成,评级 S,附加奖励:失重环境下止血贴 3 片。”
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