你小时候玩过上面这种小玩具吗？

别小看它哦，这个玩具有5千年的历史了。更厉害的是，它的转速超过了绝大多数汽车引擎，甚至可以媲美F1赛车引擎。

它有什么用？

利用这个成本低廉的道具，就可以制造医疗和生物医学研究必备的离心机，让液体快速分层。斯坦福大学的科学家们想到用它来让更多的人能够获得快速又方便的医疗检测，拯救贫困地区的人民于水火。

一起来看看它的制作方法吧。

关键概念

超螺旋

材料和操作

线（棉线，钓鱼线…）

硬纸板/纽扣

塑料小瓶

制作方法很简单。

1 裁剪一个圆形的硬纸板（半径小于5厘米，半径越小转得越快），在中央靠近圆心的位置扎两个小洞（间距2.5毫米左右），然后依次穿入棉线。当然，你也可以用比较大的纽扣替代硬纸板。

2 接着制作需要分离的溶液。你可以用血液，也可以用淀粉和碘的混合液来做实验。把液体装入透明的塑料小瓶里，然后绑在圆盘上。

淀粉和碘的混合液

@North Carolina Museum of Natural Sciences

3 玩的时候，让圆转盘绕着棉线转几圈，然后两手拉住棉线的两端让圆盘转起来，就可以了。

淀粉被离心机分离后，你可以观察到紫色的物质沉入了容器底部。

@North Carolina Museum of Natural Sciences

原理：这个紫色的物质是淀粉碘络合物。因为淀粉密度大，所以被离心机甩分层了。

4 除了上面这种玩法，还可以玩色谱法。

拿一张咖啡滤纸，在上面用不同颜色的笔标记一下，然后滴上几滴水。把滤纸放到纸质离心机上甩，就可以看出笔的颜料里包含几种染料了。

原理：不同颜料在滤纸上的移动速度不同，因此被离心机加速后，可以看出彩色笔的颜色是由几种颜料调和而成的。

彩色笔的颜料在离心机上分层

@Flinnscientific

原理

对于医学和生物学研究来说，离心机是基础设备之一。

离心机

比如在检测血液里的疟原虫、HIV病毒还有结核杆菌的时候，用离心分离血浆里的不同物质是第一步，因为去除干扰性的细胞杂质可以提高检测精度和准确性。

就拿引发疟疾的疟原虫来说。疟原虫会感染红血球，而被感染的红血球的密度比健康的红血球要小。因此在经过离心机分离后，被感染的红血球的位置位于健康红细胞和透明血浆之间。检测这层液体里是否有疟原虫，就可以判断一个人有没感染疟疾了。

被感染的红血球的位置

@Manu Prakash

不过，传统的离心机价格昂贵，非常笨重，而且需要插电，因此不适合背来背去，也不适合经济不发达的地区。

许多科学家们曾经考虑过这个问题，他们利用日常生活中的工具，制造了一些低成本的离心机。

下面这种用沙拉脱水器制作的离心机就是一例。不过它的转速只有每分钟600次，远远达不到分离检测物质的要求。

沙拉脱水器离心机

@nature

怎样制造高转速，不插电的离心机？这是斯坦福大学生物工程学教授 Manu Prakash 一直在考虑的问题。

Prakash 是节俭科学（frugal science）概念的提出者和推广者。在此之前，他已经设计和制造了折纸显微镜 foldscope。我们之前介绍过（点我查看）。

纸质显微镜 foldscope

Prakash 一开始想要利用的是悠悠球和陀螺这些常见玩具。不过很遗憾，和沙拉脱水机一样，它们的转速也不够。

后来，Prakash 注意到了另一个玩具——Whirligig。你可能也玩过。

Whirligig

Prakash 介绍，whirligig 是人类历史上最古老的玩具之一，至少有5千年的历史。

世界各地出土的whirligig

@Manu Prakash / TED

从 whirligig 出发，他设计出了纸质离心机 paperfuge。它的基本原理和传统离心机一样，通过高速旋转带来的离心力，使不同密度的物质分层。

Prakash 演示纸质离心机 paperfuge

@wired

Prakash 的离心机制作成本低廉。2017年，Prakash在TED演讲上表示，paperfuge 的制造成本是每个0.179美金，差不多2块钱不到。

纸质离心机的操作也方便，只要把血液放入细管里，粘到纸质离心机上就可以进行离心了。只要转90秒，它就可以把血液分离成红血球、血小板和透明的血浆。

经过纸质离心机处理后的血液样本

@nature

理论上，whirligig 的转速可以达到每分钟百万次。Prakash 的纸质离心机可以达到每分钟12万转，能产生3万g的离心力，拉起来有呼呼的声音，转速妥妥地超过了大多数汽车引擎，也超过了80年代F1赛车的水平。

不过，whirligig，还有纸质离心机是怎么转起来的呢？

这是个好问题，因为直到最近才有人理解它的物理原理。

Prakash 介绍，一般来说绳索扭成的螺旋数量是有限的。超过这个限度后，绳子就会在第三个维度纽结，这就是超螺旋。比如DNA就会形成超螺旋。Whirligig 和纸质离心机就是利用超螺旋产生巨大的转速。

电话线上的螺旋(coil)和超螺旋(supercoil)

Prakash 说：“我们常常忽略了玩具里藏着的深刻的物理现象。”不起眼的小玩具，不但经历了时间的考验，或许还会成为奋斗在一线的医疗武器呢。

知道阿姆斯特朗回旋喷气加速式阿姆斯特朗炮为啥这么厉害了吧，都是因为超螺旋啊！

来源: 把科学带回家