神奇的表面張力

晁 蒙 楊艷霞

(清華大學附屬中學永豐學校)

2022年3月23日,“天宮課堂”第二課開講,航天員翟志剛、王亞平和葉光富又一次為我們帶來了別開生面的小課堂.第一次“天宮課堂”中微重力環境下的水膜實驗讓人印象深刻,這次的液橋實驗更是不同凡響.那你知道水膜注水變成水球、水球連接形成液橋的原因嗎?

其實,這些都和液體的表面張力有關.表面張力是指液體表面任意相鄰部分之間垂直于它們單位長度分界線方向相互作用的拉力,在表面張力的作用下,液面會盡可能地緊繃.

為什么液體表面具有收縮的趨勢呢? 這是因為液體表面有一層與空氣接觸的薄層,叫作表面層.表面層內的分子比液體內部稀疏,受到的分子力也與液體內部分子不同.我們知道,當分子間距離r小于平衡位置r0時,分子間作用力表現為斥力;r大于平衡位置r0時,分子間作用力表現為引力.在液體內部,分子間的平均距離略小于r0,作用力表現為斥力;在表面層內,分子間的平均距離略大于r0,作用力表現為引力.這種力使得液體表面緊繃,宏觀表現為液體的表面張力.于是,液體在表面張力的作用下聚攏在一起.

在體積一定的情況下,球的表面積最小,所以露珠和肥皂泡泡等易“收縮”成球狀.當水滴逐漸變大時,水的表面張力無法承受水的重力,因此會有水滴墜下.液體的表面張力在地球和太空中都是存在的,但是在太空失重的環境下,水滴會在表面張力的作用下呈現出均勻的球狀,即便水滴逐漸增大,水球也不會破裂.將紙花放入水球,水分子進入紙纖維的縫隙中,纖維吸水膨脹,折痕處逐漸舒展開來,呈現出紙花徐徐盛開的景象.

同樣,在表面張力的作用下,水球在兩塊液橋板之間形成一段液柱,也就是我們所說的“液橋”.水的表面張力作用像一層虛擬的“網”兜住了液柱,使得液橋的形貌得以維持.重力環境下同樣可以形成液橋,只是尺寸要小得多.一旦超過這個尺寸,液橋將無法平衡重力作用而坍塌.

圖1

生活中有很多現象與液體的表面張力有關.例如,水黽等可以停留在水面上而不下沉,就是因為水黽的腿部結構比較特殊,與液面接觸面積大,停留在水面上時,水面在表面張力的作用下發生彈性形變,進而對與它接觸的水黽施加向上的彈力.于是,水面猶如一張彈性薄膜托舉著水黽,彈力與重力平衡,水黽就可以靜止在水面上.表面張力的大小與液體種類、液體溫度、雜質等因素有關.一般溫度越高,液體的表面張力越小.雜質的出現也會影響液體的表面張力,例如純凈水的表面張力比較大,而加入肥皂或者洗潔精的水具有較小的表面張力,這就是清水吹不出泡泡,而肥皂水容易吹出泡泡的原因.

在與表面張力有關的種種現象中,還有一個重要的概念叫作接觸角.接觸角是指在氣、液、固三相交界處所作的氣—液交界面切線與固—液交界面切線之間的夾角.若接觸角θ＜90°,則固體是親液的,即液體和與之接觸的固體之間的作用力比液體分子間的作用力強,液體可浸潤固體.例如,常見的葡萄酒“掛杯”就是因為葡萄酒和酒杯之間的作用力大于葡萄酒的表面張力,葡萄酒便在搖晃的過程中“爬”上了酒杯內壁并在重力作用下徐徐下滑.“掛杯”是葡萄酒成熟的正常表現.掛杯還可分為“長掛杯”和“短掛杯”,一般糖分越高的葡萄酒,酒體就越濃稠,越容易形成“長掛杯”.除此之外,酒杯的材質等因素也會影響葡萄酒掛杯,一般玻璃杯的表面比水晶杯更光滑,所以水晶杯裝的葡萄酒更容易掛杯.掛杯不會影響葡萄酒的口感,也不能簡單地用葡萄酒的掛杯程度來確定葡萄酒的品質優劣.所以,品嘗葡萄酒時不必在“掛杯程度”上糾結,享受葡萄酒的獨特口感就好.

圖2

相反,若接觸角θ＞90°,則固體是疏液的,即液體和與之接觸的固體之間的作用力比液體分子間的作用力弱,液體不浸潤固體,容易在固體表面移動.荷葉表面就有很強的疏水性,因為荷葉表面有一層絨毛和微小的蠟質納米顆粒,表面張力作用下形成的露珠在這些納米顆粒上不漫延、不浸潤,接觸角在130°～160°之間.露珠受力不平衡時,容易在荷葉上自由滾動.滾動的露珠可以帶走荷葉表面的灰塵,使荷葉保持“出淤泥而不染”的狀態.

“荷葉效應”在生活中有很多實際的應用,例如,傳統衣物容易被雨水等浸濕,但是衣物經過涂層處理后,水不能浸潤,就能達到防水的效果.汽車烤漆、瓷磚的瓷釉涂層同樣利用表面張力使其達到“自潔”的效果.電鍍的過程也需要權衡表面張力的影響,如果電鍍液或者化學液的表面張力太高,浸潤性不好,電鍍液就無法充分浸潤到孔隙中,影響噴涂效果.因此,通常會在電鍍液中加入潤濕劑等來降低鍍液的表面張力,進而增強液體的附著性能.

明是非、辨利害,多爭取有利的一面,多防范弊端的發生,讓知識更好地服務于人類社會,我們的生活就能更和諧,我們的國家就能更昌盛.

(完)