你小時候玩過上面這種小玩具嗎？


別小看它哦，這個玩具有5千年的歷史了。更厲害的是，它的轉速超過了絕大多數汽車引擎，甚至可以媲美F1賽車引擎。


它有什么用？


利用這個成本低廉的道具，就可以制造醫療和生物醫學研究必備的離心機，讓液體快速分層。斯坦福大學的科學家們想到用它來讓更多的人能夠獲得快速又方便的醫療檢測，拯救貧困地區的人民于水火。


一起來看看它的制作方法吧。






關鍵概念


超螺旋



材料和操作



線（棉線，釣魚線…）

硬紙板/紐扣

塑料小瓶




制作方法很簡單。


1 裁剪一個圓形的硬紙板（半徑小于5厘米，半徑越小轉得越快），在中央靠近圓心的位置扎兩個小洞（間距2.5毫米左右），然后依次穿入棉線。當然，你也可以用比較大的紐扣替代硬紙板。





2 接著制作需要分離的溶液。你可以用血液，也可以用淀粉和碘的混合液來做實驗。把液體裝入透明的塑料小瓶里，然后綁在圓盤上。


淀粉和碘的混合液


@North Carolina Museum of Natural Sciences


3 玩的時候，讓圓轉盤繞著棉線轉幾圈，然后兩手拉住棉線的兩端讓圓盤轉起來，就可以了。


淀粉被離心機分離后，你可以觀察到紫色的物質沉入了容器底部。



@North Carolina Museum of Natural Sciences


原理：這個紫色的物質是淀粉碘絡合物。因為淀粉密度大，所以被離心機甩分層了。



4 除了上面這種玩法，還可以玩色譜法。


拿一張咖啡濾紙，在上面用不同顏色的筆標記一下，然后滴上幾滴水。把濾紙放到紙質離心機上甩，就可以看出筆的顏料里包含幾種染料了。


原理：不同顏料在濾紙上的移動速度不同，因此被離心機加速后，可以看出彩色筆的顏色是由幾種顏料調和而成的。


彩色筆的顏料在離心機上分層

@Flinnscientific




原理


對于醫學和生物學研究來說，離心機是基礎設備之一。


離心機


比如在檢測血液里的瘧原蟲、HIV病毒還有結核桿菌的時候，用離心分離血漿里的不同物質是第一步，因為去除干擾性的細胞雜質可以提高檢測精度和準確性。


就拿引發瘧疾的瘧原蟲來說。瘧原蟲會感染紅血球，而被感染的紅血球的密度比健康的紅血球要小。因此在經過離心機分離后，被感染的紅血球的位置位于健康紅細胞和透明血漿之間。檢測這層液體里是否有瘧原蟲，就可以判斷一個人有沒感染瘧疾了。


被感染的紅血球的位置

@Manu Prakash



不過，傳統的離心機價格昂貴，非常笨重，而且需要插電，因此不適合背來背去，也不適合經濟不發達的地區。


許多科學家們曾經考慮過這個問題，他們利用日常生活中的工具，制造了一些低成本的離心機。


下面這種用沙拉脫水器制作的離心機就是一例。不過它的轉速只有每分鐘600次，遠遠達不到分離檢測物質的要求。


沙拉脫水器離心機

@nature


怎樣制造高轉速，不插電的離心機？這是斯坦福大學生物工程學教授 Manu Prakash 一直在考慮的問題。


Prakash 是節儉科學（frugal science）概念的提出者和推廣者。在此之前，他已經設計和制造了折紙顯微鏡 foldscope。我們之前介紹過（點我查看）。


紙質顯微鏡 foldscope


Prakash 一開始想要利用的是悠悠球和陀螺這些常見玩具。不過很遺憾，和沙拉脫水機一樣，它們的轉速也不夠。


后來，Prakash 注意到了另一個玩具——Whirligig。你可能也玩過。


Whirligig



Prakash 介紹，whirligig 是人類歷史上最古老的玩具之一，至少有5千年的歷史。


世界各地出土的whirligig

@Manu Prakash / TED



從 whirligig 出發，他設計出了紙質離心機 paperfuge。它的基本原理和傳統離心機一樣，通過高速旋轉帶來的離心力，使不同密度的物質分層。


Prakash 演示紙質離心機 paperfuge

@wired




Prakash 的離心機制作成本低廉。2017年，Prakash在TED演講上表示，paperfuge 的制造成本是每個0.179美金，差不多2塊錢不到。


紙質離心機的操作也方便，只要把血液放入細管里，粘到紙質離心機上就可以進行離心了。只要轉90秒，它就可以把血液分離成紅血球、血小板和透明的血漿。



經過紙質離心機處理后的血液樣本

@nature


理論上，whirligig 的轉速可以達到每分鐘百萬次。Prakash 的紙質離心機可以達到每分鐘12萬轉，能產生3萬g的離心力，拉起來有呼呼的聲音，轉速妥妥地超過了大多數汽車引擎，也超過了80年代F1賽車的水平。




不過，whirligig，還有紙質離心機是怎么轉起來的呢？


這是個好問題，因為直到最近才有人理解它的物理原理。


Prakash 介紹，一般來說繩索扭成的螺旋數量是有限的。超過這個限度后，繩子就會在第三個維度紐結，這就是超螺旋。比如DNA就會形成超螺旋。Whirligig 和紙質離心機就是利用超螺旋產生巨大的轉速。


電話線上的螺旋(coil)和超螺旋(supercoil)


Prakash 說：“我們常常忽略了玩具里藏著的深刻的物理現象。”不起眼的小玩具，不但經歷了時間的考驗，或許還會成為奮斗在一線的醫療武器呢。



知道阿姆斯特朗回旋噴氣加速式阿姆斯特朗炮為啥這么厲害了吧，都是因為超螺旋啊！




沒想到小時候玩的不起眼紙片玩具，關鍵時刻還能救人一命 | 科學DIY

圖文簡介

沒想到小時候玩的不起眼紙片玩具，關鍵時刻還能救人一命