Liesegang 环

# 李塞冈环 来源：https://chillphysicsenjoyer.substack.com/p/liesegang-rings 上次我写道尝试寻找当维度缩减时物理规律可能保持不变的现象（https://chillphysicsenjoyer.substack.com/p/on-reduction-to-the-table-top）。独立科学协会的另一个主题是弄清楚如何在桌面实验台上创造出值得研究的复杂现象。 此前我演示了用云母粉和油制作的瑞利-贝纳德对流单元，在施加温度梯度时我观察到液体中出现了类似单元的划分。这是由温度梯度引发的非平衡态自组织现象的一个例子。我曾尝试但未能重现其他现象，比如布里格斯-劳舍尔反应——一个（更安全的）振荡化学反应示例。 对于复杂现象，我试图通过数学和物理实验来找出哪些变量真正重要，这很难。在对流单元的情况下，我们有液体层厚度、温度梯度、容器尺寸等变量。这些都是我希望在这个实验室里自行理解的思路。 另一种引起我注意的复杂现象是李塞冈环。这些是在凝胶中形成的环，其间距遵循(1+p)ⁿ的几何级数规律。你可以通过多种方式获得它们。以下是它们的外观，图片来自这个关于李塞冈环模型的超酷网站（https://www.insilico.hu/liesegang/experiment/experiment.html）。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!bDnp!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Ffe98bc69-166c-400f-9118-5a15e4eb64d4_299x330.png) 来自 https://www\.insilico\.hu/liesegang/experiment/experiment\.html 在这张使用氢氧化镁的图片中，你可以清楚地看到间距呈现几何模式。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!cbDw!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F85b0f9f1-d2b2-4ac8-8662-31066fbcec55_586x894.png) 为什么我觉得这很有趣？阅读胚胎学书籍时，例如《胚胎的胜利》，我对化学反应如何在某些动物身上产生图案产生了兴趣。同时我发现化学反应图案形成的理论在数学上也很丰富，这正是我试图通过非平衡统计力学的视角来进一步理解的。这些现象的美学令人着迷。尽管李塞冈环并非动物图案形成的机制，你仍不禁惊叹于其背后发生的过程。 这是《马来西亚鸟类野外指南》中的一页。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!wPLL!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F3d60c2e5-1abb-4658-8a24-427b847ef440_4032x3024.jpeg) 据我所知，李塞冈环背后的机制至今尚未完全阐明。这使其非常适合尝试在家复制一些实验。 我曾考虑使用重铬酸钾和硝酸银来复制李塞冈环，这似乎能产生最明亮的环。但当我在Sigma Aldrich上购物时，意识到重铬酸钾具有致癌性和吸入风险。因此，它并不真正适合家庭实验室风格的操作…… [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!nZIc!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F7b4aba61-da1b-46ba-8636-02e1938e0938_1331x537.png) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!JYBT!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F16721b15-c707-4ff5-9e9c-df46363a6f09_1311x508.png) 李塞冈网站上的另一个例子是使用氯化镁凝胶浸泡液和氨水，但我也发现氨水浓度看起来很高，不太安全。 于是我使用GPT Sol寻找更安全的版本以及更容易获得的试剂。然后我找到了Chopard在1999年发表的一篇论文，该论文成功使用琼脂凝胶（安全）、氯化镁（浴盐）和氢氧化钠制备出李塞冈环。氢氧化钠也称为烧碱，可从商店购买。它具有腐蚀性但无烟雾，我之前曾尝试用它在家制作量子点。 以下是Chopard 1999年论文中李塞冈环的照片。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!thCw!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F330ef220-a7bb-4527-99f4-867c8bae2c5f_799x536.png) Chopard 1999 我尝试了以下使用NaOH的配方（如图右所示）来制作这些环。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!UECu!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F6816fac4-a5a0-44e8-991f-7cf610679fb2_796x265.png) 试剂也相当便宜，以下是完整列表及Claude估算的费用。再次强调，这些材料在市面上都很容易获得！我非常希望让化学网络研究更易于家庭实验进行。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!TaC4!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F4fe9eea6-2ab8-4b5a-a262-57a3fc0f3d16_1314x554.png) 我让Sol告诉我浓度和复制论文的步骤（https://chatgpt.com/share/6a8e828f-699c-83ed-a5fb-638c8bd3886d）。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!P5Kd!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F9c242c68-a366-48a3-8c87-2b02e2a0e2cd_814x614.png) 这是我的第一次尝试。剧透一下，它失败了，由于某种原因我无法让条带正常分离。但本着透明的独立科学家精神，我认为分享失败与成功同样重要，所以这就来了…… 令人尴尬的是，最繁琐的部分是试图让琼脂凝胶变得光滑透明，这样我就不会看到凝胶浑浊，从而能观察到条带。 我首先尝试将1.5克琼脂粉与90毫升水混合，然后放入磁力搅拌加热器中，但我只能将琼脂加热到60℃，这不足以完全溶解琼脂粉——你需要接近沸腾才能使其充分溶解。 通过微波炉以900W加热40秒，将琼脂加热到90℃要快得多也容易得多。你可以从任何普通食品店或亚马逊购买琼脂。我使用了基本的烹饪温度计来测试其是否达到温度。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!qe36!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F0f331ee8-34b0-4970-993b-e1943049ae95_4032x3024.jpeg) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!oOhb!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F5b89bd42-92e4-4b2d-a616-3e2c41abe20b_3024x4032.jpeg) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!LDYH!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F93352624-9b11-4f35-a5f6-4325deb234c1_3024x4032.jpeg) 用微波炉加热40秒使其达到溶解所需的温度——这里显示为94℃。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!7omY!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fcb49c8d5-ae14-4189-bee0-a82f4f42bbfa_4032x3024.jpeg) 然后我在磁力搅拌器上保持琼脂在60℃。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!G9Js!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fd2397b83-107f-44c3-9bea-bbb99d2e7575_360x203.gif) 之后我将2克六水合氯化镁溶解在98毫升水中，然后将其加入琼脂凝胶中。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!nHkN!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fa56d46e9-4fd9-41ca-93dd-0d3039fca6d8_4032x3024.jpeg) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!KQNE!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F158f0619-4d08-47ed-953d-f8ca9c17e045_360x203.gif) 搅拌并去除气泡。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!5l2Z!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F9252a56d-9506-4d68-afbf-417bdbd71354_360x203.gif) 然后我将其倒入一些试管中，每管20克，让其冷却。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!JVXO!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Febc52350-0abb-43ad-885e-8cf5c638d394_3024x4032.jpeg) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!rJhp!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F4aa9ec79-c3fa-479c-858c-7947586593e4_4032x3024.jpeg) 然后我让浸有MgCl的试管静置90分钟直至成为凝胶。 之后，我将1克NaOH溶于50毫升水配成溶液，此溶液具有腐蚀性，请小心操作。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!AXzN!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fe1b7f3e0-5b6f-4908-804c-ebea665daa8c_3024x4032.jpeg) 然后我将NaOH溶液倒入浸泡凝胶的试管中。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!Jkj4!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F2a022296-35f7-4cb1-99be-fcfd1b6f7d13_380x676.gif) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!AJci!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F5dccd69c-e392-40b6-8823-b6ea0d686c6f_380x676.gif) [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!RI47!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F4d6762ba-b62c-440e-8873-86577e01dae0_380x676.gif) 然后我对3根试管都进行了此操作，并留出一根作为对照。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!lpyP!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F7619b564-4452-42cd-9531-8f24c5a32911_4032x3024.jpeg) 我静置了10个小时，这就是结果。如你所见，有一个白色沉淀界面，这是有希望的迹象。但我没有看到我迫切希望看到的条带结构！ [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!wBaK!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fd4210ee7-0ab9-45a6-aa96-e58a0f1bfb15_3024x4032.jpeg) 1. B. Chopard, M. Droz, J. Magnin, Z. Rácz, and M. Zrinyi, "Liesegang Patterns: Effect of Dissociation of the Invading Electrolyte,"*J. Phys. Chem. A***103**(10), 1432–1436 (1999). ACS (https://pubs.acs.org/jpcafh/article-abstract/103/10/1432/67008/) · preprint arXiv:cond-mat/9809385 (https://arxiv.org/abs/cond-mat/9809385). 2. Liesegang ring experiments and models, insilico.hu (https://www.insilico.hu/liesegang/experiment/experiment.html). 3. L. Wolpert, *The Triumph of the Embryo* (Oxford University Press, 1991). 4. Lim Kim Seng, Lim Kim Chuah, and Yong Ding Li (illus. Dana Gardner), *A Field Guide to the Birds of Malaysia, including Sabah and Sarawak* (John Beaufoy Publishing). NHBS (https://www.nhbs.com/a-field-guide-to-the-birds-of-malaysia-book). #### 关于这篇文章的讨论 ### 准备好了吗？