神奇的表面張力

黃才發(fā)

生活中有很多現(xiàn)象，因為常見而很少有人多問個為什么？例如，為什么水黽可以在水面上行走跳躍而不沉下去？為什么清水吹不出泡泡，加入肥皂或洗衣粉就可以吹出球形且不容易破的泡泡？

這些都是與表面張力有關(guān)的現(xiàn)象。2021年12月9日，航天員翟志剛、王亞平與葉光富在中國空間站演示的微重力環(huán)境下水膜張力實驗以及泡騰片實驗，就涉及表面張力的知識。那什么是表面張力呢？

表面張力指的是液體表面任意兩相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。通俗來講，即水等液體會產(chǎn)生使表面盡可能縮小的力，這個力稱為“表面張力”。

它產(chǎn)生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫作表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。水的表面被表面張力的強大拉力聚攏在一塊，使得水面看上去像一層薄而又有彈性的“表皮”，托住了小昆蟲，使之能無拘無束地在水面上行走自如，而不下沉。

這種張力使液體總有縮小表面積的傾向，相同體積下，球的外表面積最小，因此在沒有外力的情況下（如失重狀態(tài)）液滴往往呈球形。

表面張力在生活中的應(yīng)用很多。在與表面張力有關(guān)的各種現(xiàn)象中，接觸角扮演著極為重要的角色。接觸角即在氣、液、固三相交點處所作的氣—液界面的切線與固—液交界線之間的夾角θ，若θ<90°，則固體是親液的，即液體可潤濕固體;若θ>90°，則固體是疏水的，即液體不潤濕固體，容易在表面上移動。

水珠能在荷葉上自由滾動，這是因為水在葉面上的接觸角介于130～160度之間，不易潤濕表面。而荷葉能“自潔”，其原理是荷葉表面的納米纖毛結(jié)構(gòu)使其具有與水的超高接觸角，有很強的疏水性，水珠在滾動過程中即可將灰塵帶走，從而達到潔凈效果。

科學(xué)家了解到這種自然界神奇功能后，開發(fā)出可以運用在建筑物外墻、汽車烤漆、衛(wèi)浴設(shè)備瓷釉上的涂層，這些涂層材料可以產(chǎn)生自潔的功效，真正達到“不沾”。我們?nèi)粘４┐鞯囊旅保砻娼?jīng)過特殊涂層處理后，使水不能浸潤，起到防雨的作用，也是應(yīng)用了這一原理。

表面張力的大小與液體性質(zhì)及液面外相鄰物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，還與溫度以及液面中所含的雜質(zhì)有關(guān)。一般情況下，溫度越高，表面張力越小。而雜質(zhì)也會明顯改變液體的表面張力， 比如潔凈的水有很大的表面張力， 而沾有肥皂液的水表面張力就比較小， 這就是為什么清水吹不出泡泡，而在清水中加入肥皂或洗衣粉就可以吹出泡泡的原因。

下面我們通過幾個小實驗來感受一下表面張力。

[ 器材準備]

一次性塑料杯2個、廢棄鋁電線若干、洗潔精、白糖、縫衣針若干枚、硬幣若干枚、牙簽1盒、棉線、鑰匙多枚

小實驗1：

一次性塑料杯中倒入水，快滿的時候慢慢一滴滴加水，發(fā)現(xiàn)水面會形成一個小弧面，快要溢出的水卻沒有溢出。再慢慢放進幾枚鑰匙，數(shù)數(shù)加進多少個鑰匙時水才溢出。（圖1）

小實驗2：

一次性塑料杯內(nèi)倒入清水，把一根鋼制縫衣針（也可用硬幣、回形針）水平地放在平靜的水面上，發(fā)現(xiàn)針就浮在水面上。（圖2）

小實驗3：

把鐵線圈成個鐵環(huán)（也可用陀螺拉條），中間拴一根棉線，浸入用洗潔精、白糖、清水配制的泡泡液中，再拿出來。拉條上就會附上泡泡液薄膜，此時棉線明顯是松弛的。當刺破棉線一側(cè)薄膜，會發(fā)現(xiàn)一側(cè)的薄膜突然收縮，棉線向一側(cè)繃緊，彎曲成弧形，不再松弛，看來液體表面確實有收縮的趨勢。（圖3）

小實驗4：

用鐵線做個幾字形金屬框，銅線做個滑動邊。把整體放入泡泡液后取出，框上附上液膜，把活動邊拉至一側(cè)松開手，就會發(fā)現(xiàn)液膜被滑動邊拉開后，隨即彈回原處（圖4），可重復(fù)數(shù)次，觀察結(jié)果。

小實驗5：

找5根牙簽從中間掰折，但不要斷裂，如圖示。將掰折的中間聚在一個點上擺成放射線狀。再在中間點的位置滴幾滴水，觀察牙簽的變化。水的表面張力使牙簽動起來，形成了一個五角星。（圖5）

小實驗6：

用鐵線（或銅線）做多個立體金屬框，依次浸入泡泡液中，觀察表面張力讓液膜形成的各種圖案，會有意外驚喜。（圖6）