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(lèi)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(xiě)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/m2，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(lèi)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?chē)姆肿臃N類(lèi)較為豐富，除了其他水分子，還有空氣中的氧氣、氮?dú)?/strong>等分子。

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?strong>表面張力較小，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！

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(chēng)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(chē)車(chē)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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。

不僅是自然界中，科學(xué)家們?cè)?strong>實(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21 人工的超疏水/超親水表面 | 圖片源于【2】

審核編輯：劉清