一場(chǎng)酣暢的大雨過(guò)后，荷塘恢復(fù)了往日的平靜。

一顆顆水珠躺在荷葉上，享受著午后的陽(yáng)光。

一陣風(fēng)吹來(lái)，荷葉微微搖動(dòng)，水珠快活地在葉面上打滾……

看似和諧的畫面背后，竟是分子間億萬(wàn)年的積怨，亦是永世難以消解的隔閡！

這一切，都要從一個(gè)耳熟能詳?shù)拿~說(shuō)起，表面張力。

·Part 1：力，不是簡(jiǎn)單的拉拉扯扯·

熟悉物理的朋友們一定很熟悉身邊的力：重力、彈力、支持力、庫(kù)侖力……每提到一個(gè)力的名字，腦海中大都可以浮現(xiàn)出一幅示意圖，其中相互作用的兩個(gè)物體之間你推我搡、你拉我扯。

圖1重力與支持力示意

這樣的理解雖然直觀，但是缺少了幾分更加深入的視角，也沒(méi)辦法真正理解什么是表面張力。那怎么辦呢？我們來(lái)看看與力對(duì)應(yīng)的能量（特指勢(shì)能）。以重力為例，大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)重力勢(shì)能，即某一地球附近的物體由于處于一定的高度而蘊(yùn)含的能量。更加直觀地講，如果以地面為勢(shì)能零點(diǎn)，則物體在重力的作用下下落到地面所能釋放的能量就是重力勢(shì)能。

圖2重力勢(shì)能的對(duì)比

如圖2所示，如果小編從相對(duì)低一些的某某峰和高一些的某某某某峰推下一塊同樣的石頭，哪個(gè)釋放的重力勢(shì)能大呢？很顯然是從高一些的某某某某峰更大。那么，大了多少呢？

如果忽略重力隨高度的變化，即認(rèn)為石頭的重力是一個(gè)常量G，那么答案是：

其中dL為兩峰之間的高度差。稍加變形，我們就得到

這說(shuō)明，重力是每升高單位高度帶來(lái)的重力勢(shì)能的變化！類似的，彈簧彈力是每拉長(zhǎng)單位長(zhǎng)度所帶來(lái)的彈性勢(shì)能的變化，分子間作用力是分子間距離每變化單位長(zhǎng)度所帶來(lái)的體系勢(shì)能的變化……原來(lái)，與任意的勢(shì)能對(duì)應(yīng)的力都可以這樣理解。

此時(shí)，小編優(yōu)雅地問(wèn)道：那么，表面張力是什么？

讀者齊聲答道：表面每增長(zhǎng)單位面積而帶來(lái)的表面能的變化！

小編鼓掌后追問(wèn)：表面能是什么？表面張力沿著什么方向？

讀者沉默，向小編投來(lái)期待的目光……

·Part 2：張力，不過(guò)是吹個(gè)泡泡·

其實(shí)，上面所談及的問(wèn)題可以很直觀地從量綱看出來(lái)。我們都接觸過(guò)做功的概念，功的單位和能量一樣，都是焦耳J。而功是物體受到的某個(gè)力（單位為N）與物體在力的方向上移動(dòng)的距離（單位為m）的乘積，即：1 J=1 N·m。那么，力的單位除了N還可以寫作J/m，即每移動(dòng)1m所引起的能量的變化。

然而有一種物理量的量綱是J/m，它代表著每單位面積蘊(yùn)含的能量，這個(gè)物理量便是比表面能。比表面能是一個(gè)涉及分子間作用的概念，我們需要從微觀去認(rèn)識(shí)。

圖3氮?dú)馀c水分子間作用勢(shì)能的圖示

在微觀世界存在著多種多樣的分子，比如上圖所示的氮?dú)馀c水分子。分子間組成的體系的勢(shì)能與分子間的距離有關(guān)。這種關(guān)系正如兩個(gè)人之間的關(guān)系，遠(yuǎn)了近了都不好。如果距離太近，彼此之間沒(méi)了自我空間，情緒會(huì)不穩(wěn)定，因此會(huì)產(chǎn)生相互排斥的作用；如果距離太遠(yuǎn)，每個(gè)人都太孤獨(dú)，便會(huì)相互思念，彼此吸引。當(dāng)彼此的距離恰到好處，便對(duì)應(yīng)著能量的最低點(diǎn)，較為穩(wěn)定。

圖4水-空氣界面示意

然而，這種關(guān)系的穩(wěn)定程度是與雙方分子的種類有關(guān)的。如圖4所示，對(duì)于水-空氣的界面而言，處于表面的水分子周圍的分子種類較為豐富，除了其他水分子，還有空氣中的氧氣、氮?dú)獾确肿印?

圖5內(nèi)部與表面水對(duì)比

俗話說(shuō)“物以類聚，人以群分”，更加相似的同類分子間往往關(guān)系更為融洽，而不同種分子間的關(guān)系則相對(duì)疏遠(yuǎn)。在物理上表現(xiàn)為同類分子間的勢(shì)能曲線最低點(diǎn)更低。因此，對(duì)于一個(gè)存在于內(nèi)部的水分子，如果來(lái)到表面，需要斷開(kāi)與同類分子的部分關(guān)系，而代之以與比較“生疏”的空氣分子間的作用，顯然是不情愿的！這體現(xiàn)為能量的升高。那么，什么情況下水分子要從內(nèi)部來(lái)到表面呢？正是吹泡泡的時(shí)候。

圖6吹泡泡過(guò)程示意

用圓環(huán)蘸一些肥皂水，肥皂水的體積是基本恒定的。當(dāng)我們吹入空氣使泡泡的表面積變得更大，自然泡泡的厚度會(huì)變薄。進(jìn)一步解釋就是，一定會(huì)有更多的水分子從內(nèi)部來(lái)到表面，而這個(gè)過(guò)程是內(nèi)部分子所不情愿的，因此會(huì)帶來(lái)能量的升高。那么，表面每擴(kuò)展單位的面積帶來(lái)的能量升高是多少？這個(gè)數(shù)值正是比表面能。

圖7表面的增大伴隨肥皂泡變薄

我們?cè)?jīng)提到比表面能的單位是J/m，而將這個(gè)物理量從力的角度去理解對(duì)于處理一些問(wèn)題更加直觀，我們常常將比表面能稱為表面張力。而J/m=N/m，并不是力的單位N，因此表面張力代表的是作用在單位長(zhǎng)度的表面上的力。在下圖所示的實(shí)驗(yàn)中，肥皂水膜在力F的牽拉下長(zhǎng)大，表面張力便是

其中，分母上的2來(lái)自于正反兩側(cè)都有表面的產(chǎn)生。

圖8表面張力實(shí)驗(yàn)示意圖|圖片源于【1】

那么表面張力的方向是什么呢？我們同樣類比重力、彈力等力。簡(jiǎn)單回顧不難發(fā)現(xiàn)，如果將表面張力理解為單位面積形變引起的能量升高，那么對(duì)應(yīng)的力應(yīng)該指向使得能量降低的方向。對(duì)于表面張力，自然就是沿切線使得表面收縮的方向。

圖9表面張力的方向示意

·Part 3：追求球形，張力與重力之爭(zhēng)·

在這一部分開(kāi)始前，首先提出一個(gè)問(wèn)題：在失重條件下，液滴會(huì)呈現(xiàn)什么形狀？

稍加回憶，看過(guò)太空授課的讀者應(yīng)該都想起了那顆懸浮在太空中的球形水滴。

圖10太空授課畫面截屏

沒(méi)錯(cuò)，失重環(huán)境下的液滴正是呈現(xiàn)球形，因?yàn)樵谝欢ǖ捏w積下，球體的表面積最小，因此球形液滴的總表面能最低。那么，在有重力的情況下呢？

圖11表面分子有進(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)

在液滴的表面，每個(gè)分子都會(huì)受到沿切線的表面張力，效果上相當(dāng)于每個(gè)分子（如A和C）都在拉周圍的分子（如B）。B受到的周圍表面分子的力的合力指向內(nèi)部，有進(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)。這種張力的作用使得液滴盡可能維持著接近球形的狀態(tài)，即擁有盡可能小的表面積。然而，重力起到另一種作用。

圖12重力的作用

重力的作用希望每個(gè)水分子都處在盡可能低的地方，顯然呈現(xiàn)近似球形的形狀并不是重力勢(shì)能最低的情況。因此，表面張力與重力之間便存在著競(jìng)爭(zhēng)。

圖13重力與張力的競(jìng)爭(zhēng)

不難想象，如果張力很強(qiáng)，液滴就會(huì)維持住近似球形的形狀而不坍塌。如果張力很弱，無(wú)法與重力抗衡，液滴就會(huì)破碎。回到吹泡泡的問(wèn)題，之所以一般要蘸肥皂水而非純水，就是因?yàn)榧兯谋砻鎻埩^小，不足以與液膜所受的重力抗衡。然而在太空中，重力不再作用，水膜便可以穩(wěn)定存在了！

圖14太空中的水膜

進(jìn)一步地，就涉及到一個(gè)問(wèn)題：不同物質(zhì)的表面張力的大小與什么有關(guān)呢？在定性上，我們可以引入稱為親和度的概念，它反映了界面兩側(cè)物質(zhì)親疏關(guān)系。如果兩側(cè)的物質(zhì)很親和，那么待在內(nèi)部和表面其實(shí)區(qū)別不大，畢竟大家都合得來(lái)，因此表面張力相對(duì)較小。反之，如果兩側(cè)的物質(zhì)關(guān)系很疏遠(yuǎn)，表面張力會(huì)很大。而這，正是浸潤(rùn)現(xiàn)象產(chǎn)生的根源。

·Part 4：浸潤(rùn)，分子間的愛(ài)恨情仇·

浸潤(rùn)現(xiàn)象，這個(gè)詞可能大家比較陌生，但是對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象非常常見(jiàn)。比如下圖所示的防水衣服以及公交車車窗上的水滴就是非浸潤(rùn)和浸潤(rùn)代表性的場(chǎng)景。

圖15生活中的浸潤(rùn)與非浸潤(rùn)現(xiàn)象

仔細(xì)觀察上面的場(chǎng)景，我們發(fā)現(xiàn)并不是只存在兩種物質(zhì)（準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)是物相，因?yàn)榭諝庥袕?fù)雜的成分），而是三種——一種作為基底的固體、一種液體和環(huán)境中的氣體。因此，我們面對(duì)的浸潤(rùn)問(wèn)題中所涉及到的界面也不是一種，而是兩兩之間組成的三種。

圖16物質(zhì)間關(guān)系示意

很自然的，表面張力會(huì)存在于任何一個(gè)界面上，其大小與兩側(cè)物種的相對(duì)親和關(guān)系有關(guān)，而方向沿著界面指向使得該界面收縮的方向。而最終的狀態(tài)需要讓這三個(gè)力的分量達(dá)到平衡。

圖17三個(gè)界面交界處張力的競(jìng)爭(zhēng)

對(duì)于浸潤(rùn)的情況，液體與固體物質(zhì)間的關(guān)系很好，最為極端地可以認(rèn)為該界面處的表面張力小到可以忽略。這樣一來(lái)，需要紅色和藍(lán)色的力的水平分量達(dá)到平衡，液滴的形狀趨于扁平。一般將氣液界面處張力與液固界面的夾角稱為接觸角，對(duì)于浸潤(rùn)現(xiàn)象顯著的親水表面接觸角很小。

圖18浸潤(rùn)微觀示意

反之，對(duì)于疏水表面，固液界面處的表面張力可能非常大，以至于接觸角只有達(dá)到鈍角甚至趨近于180°才能達(dá)到平衡，此時(shí)的現(xiàn)象稱為非浸潤(rùn)或者不能浸潤(rùn)。而這種表面由于較高的疏水性被稱為超疏水表面。

圖19非浸潤(rùn)微觀示意

講到這里，部分讀者可能已經(jīng)猜到了，荷葉的表面正是一種天然的超疏水物質(zhì)，因此水在荷葉的表面呈現(xiàn)接近球形。

圖20自然界中的超疏水現(xiàn)象

不僅是自然界中，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中也制備出效果更加顯著的超疏水或超親水表面，比如下圖中呈現(xiàn)出極端的非浸潤(rùn)與浸潤(rùn)現(xiàn)象。

圖片

圖21人工的超疏水/超親水表面|圖片源于【2】

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夜幕降臨，

一陣晚風(fēng)吹過(guò)，

荷葉猛地?fù)u動(dòng)，

幾顆水珠滾落在池塘中，

泛起道道波紋。

一只水黽在水面上劃過(guò)，

只竄了幾竄，

便消失在那片泛白的月光里。

它哪里知道，

托起自己身軀的，

便是神奇的表面張力……

參考資料：

【1】朱志昂,阮文娟.物理化學(xué).第6版[M].科學(xué)出版社.

【2】超疏水/超親水表面改性-用于各種塑料