一(yi)場(chang)酣(han)暢的大雨過后(hou)，荷塘恢復了往日的平(ping)靜。

一顆(ke)顆(ke)水珠躺在荷葉上，享受(shou)著午(wu)后的陽光(guang)。

一陣風吹來，荷葉微微搖動，水(shui)珠(zhu)快活地在葉面上打滾……

 看似和諧的(de)畫面(mian)背后，竟是分子間億萬年的(de)積(ji)怨，亦(yi)是永世難以消解(jie)的(de)隔閡！

這一切(qie)，都要從(cong)一個耳熟能(neng)詳的(de)名詞說起，表面張(zhang)力。

·Part 1：力，不是(shi)簡單的拉(la)拉(la)扯扯·

熟悉物理的(de)朋友(you)們一(yi)定很熟悉身邊的(de)力(li)：重力(li)、彈(dan)力(li)、支持(chi)力(li)、庫侖力(li)……每提到一(yi)個力(li)的(de)名字，腦海中大都可(ke)以(yi)浮現(xian)出一(yi)幅示意圖，其中相互作用的(de)兩個物體之間你(ni)推我搡(sang)、你(ni)拉(la)我扯(che)。

圖1重(zhong)力與支(zhi)持力示意

這樣的(de)理解(jie)雖然(ran)直(zhi)觀，但是(shi)(shi)(shi)缺少了幾(ji)分更(geng)加深入的(de)視角(jiao)，也沒(mei)辦(ban)法真正(zheng)理解(jie)什么是(shi)(shi)(shi)表面張(zhang)力(li)。那(nei)怎么辦(ban)呢？我們來(lai)看看與(yu)力(li)對應的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)（特指(zhi)勢(shi)(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)）。以(yi)(yi)重(zhong)力(li)為例，大(da)家可能(neng)(neng)(neng)聽說(shuo)過重(zhong)力(li)勢(shi)(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)，即某一地(di)(di)球(qiu)附(fu)近的(de)物體由于(yu)處于(yu)一定的(de)高度而蘊含的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。更(geng)加直(zhi)觀地(di)(di)講(jiang)，如果以(yi)(yi)地(di)(di)面為勢(shi)(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)零點，則物體在重(zhong)力(li)的(de)作用下下落到(dao)地(di)(di)面所能(neng)(neng)(neng)釋(shi)放的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)就是(shi)(shi)(shi)重(zhong)力(li)勢(shi)(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)。

圖(tu)2重力勢(shi)能的對比

如(ru)圖2所(suo)示，如(ru)果(guo)小編從(cong)相對低一些(xie)的(de)(de)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)峰(feng)和(he)高一些(xie)的(de)(de)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)峰(feng)推(tui)下一塊(kuai)同樣的(de)(de)石頭(tou)，哪個釋放的(de)(de)重力勢(shi)能大呢(ni)？很顯然是從(cong)高一些(xie)的(de)(de)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)某(mou)(mou)(mou)(mou)(mou)峰(feng)更(geng)大。那么，大了多(duo)少呢(ni)？

如果忽略重力隨高度的變化，即認為石頭的重力是一個常量(liang)G，那(nei)么答案是：

其(qi)中dL為(wei)兩峰(feng)之間的高度差。稍加變形，我們就得到

這說明，重(zhong)力是(shi)每升高單位高度(du)(du)帶來的(de)(de)(de)重(zhong)力勢(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)！類似的(de)(de)(de)，彈(dan)簧彈(dan)力是(shi)每拉(la)長單位長度(du)(du)所(suo)帶來的(de)(de)(de)彈(dan)性勢(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，分(fen)子間作用(yong)力是(shi)分(fen)子間距離每變(bian)化(hua)單位長度(du)(du)所(suo)帶來的(de)(de)(de)體系勢(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)……原(yuan)來，與任意的(de)(de)(de)勢(shi)(shi)能(neng)(neng)(neng)對應的(de)(de)(de)力都可以這樣理解。

此時，小編優(you)雅地問道：那么(me)，表面張力是什么(me)？

讀者齊(qi)聲答(da)道：表面每增長單位面積(ji)而帶來(lai)的(de)表面能(neng)的(de)變化！

小編鼓掌后追問：表(biao)(biao)面能是什么？表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)沿著什么方(fang)向(xiang)？

讀者沉(chen)默(mo)，向小編(bian)投來期待(dai)的目(mu)光……

·Part 2：張力，不過(guo)是吹(chui)個(ge)泡泡·

其實，上面(mian)所談及的(de)(de)(de)(de)問題可(ke)以(yi)很直觀地從量綱看出來。我們都接(jie)觸過做功(gong)的(de)(de)(de)(de)概念，功(gong)的(de)(de)(de)(de)單(dan)位(wei)(wei)和能量一樣，都是焦耳(er)J。而功(gong)是物體受到的(de)(de)(de)(de)某個(ge)力（單(dan)位(wei)(wei)為N）與(yu)物體在力的(de)(de)(de)(de)方向上移動的(de)(de)(de)(de)距離（單(dan)位(wei)(wei)為m）的(de)(de)(de)(de)乘積(ji)，即：1 J=1 N·m。那么，力的(de)(de)(de)(de)單(dan)位(wei)(wei)除了(le)N還可(ke)以(yi)寫作(zuo)J/m，即每(mei)移動1m所引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)能量的(de)(de)(de)(de)變(bian)化。

然(ran)而有一(yi)種(zhong)物理量(liang)的量(liang)綱是J/m，它代表(biao)著每單位面(mian)積蘊含的能量(liang)，這個物理量(liang)便是比表(biao)面(mian)能。比表(biao)面(mian)能是一(yi)個涉(she)及分子間作用(yong)的概念，我們需要從(cong)微觀去認識。

圖3氮氣與水分子間作用(yong)勢能的圖示(shi)

在(zai)微觀世界存在(zai)著多(duo)種多(duo)樣的(de)(de)(de)分(fen)子(zi)，比如(ru)(ru)上圖(tu)所示的(de)(de)(de)氮氣與水分(fen)子(zi)。分(fen)子(zi)間(jian)組成的(de)(de)(de)體系(xi)的(de)(de)(de)勢能(neng)與分(fen)子(zi)間(jian)的(de)(de)(de)距離有關(guan)(guan)。這(zhe)種關(guan)(guan)系(xi)正(zheng)如(ru)(ru)兩個人之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)，遠(yuan)(yuan)了(le)(le)近了(le)(le)都不(bu)好。如(ru)(ru)果距離太近，彼此(ci)(ci)(ci)之(zhi)間(jian)沒了(le)(le)自我空間(jian)，情緒會不(bu)穩定，因此(ci)(ci)(ci)會產生相互排斥的(de)(de)(de)作用；如(ru)(ru)果距離太遠(yuan)(yuan)，每個人都太孤(gu)獨，便(bian)(bian)會相互思念，彼此(ci)(ci)(ci)吸引。當彼此(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)距離恰到好處(chu)，便(bian)(bian)對(dui)應著能(neng)量的(de)(de)(de)最低點，較為(wei)穩定。

圖4水(shui)-空氣界面(mian)示(shi)意

然而，這(zhe)種(zhong)關系的(de)穩定程度是與雙方(fang)分子(zi)(zi)的(de)種(zhong)類(lei)有(you)關的(de)。如圖4所示，對(dui)于(yu)水(shui)(shui)-空氣的(de)界(jie)面(mian)而言，處于(yu)表面(mian)的(de)水(shui)(shui)分子(zi)(zi)周圍的(de)分子(zi)(zi)種(zhong)類(lei)較為(wei)豐富，除(chu)了其他水(shui)(shui)分子(zi)(zi)，還有(you)空氣中的(de)氧氣、氮氣等分子(zi)(zi)。

圖5內部與表面水對比(bi)

俗話說“物以(yi)類聚，人以(yi)群分(fen)”，更加相(xiang)似的(de)(de)同類分(fen)子(zi)間往(wang)往(wang)關系更為(wei)融洽(qia)，而不同種分(fen)子(zi)間的(de)(de)關系則相(xiang)對疏(shu)遠。在物理上表現(xian)為(wei)同類分(fen)子(zi)間的(de)(de)勢(shi)能曲(qu)線最低(di)點(dian)更低(di)。因此，對于(yu)一(yi)個存在于(yu)內(nei)(nei)部的(de)(de)水(shui)分(fen)子(zi)，如(ru)果來(lai)到表面，需要(yao)斷開與(yu)同類分(fen)子(zi)的(de)(de)部分(fen)關系，而代之以(yi)與(yu)比較“生疏(shu)”的(de)(de)空氣分(fen)子(zi)間的(de)(de)作用，顯然是不情(qing)愿的(de)(de)！這(zhe)體現(xian)為(wei)能量的(de)(de)升高。那么(me)(me)，什么(me)(me)情(qing)況(kuang)下(xia)水(shui)分(fen)子(zi)要(yao)從內(nei)(nei)部來(lai)到表面呢？正是吹(chui)泡(pao)泡(pao)的(de)(de)時候。

圖6吹泡(pao)泡(pao)過程示意(yi)

用圓環蘸一(yi)些肥皂(zao)水，肥皂(zao)水的(de)體積是基本恒定的(de)。當我們吹(chui)入空氣使泡泡的(de)表面積變(bian)得更大，自然(ran)泡泡的(de)厚度會變(bian)薄(bo)。進一(yi)步解釋就是，一(yi)定會有(you)更多的(de)水分子從內(nei)部來到(dao)表面，而這個過程是內(nei)部分子所(suo)不情愿的(de)，因(yin)此會帶來能量(liang)的(de)升高。那么，表面每(mei)擴(kuo)展單位的(de)面積帶來的(de)能量(liang)升高是多少？這個數值正是比(bi)表面能。

圖(tu)7表面(mian)的增(zeng)大伴隨(sui)肥皂泡變薄

我們(men)曾經提到比表(biao)(biao)(biao)面能(neng)的(de)單位是(shi)(shi)J/m，而將這個物理(li)量從力(li)的(de)角度去理(li)解對(dui)于處理(li)一些問題(ti)更加直(zhi)觀，我們(men)常常將比表(biao)(biao)(biao)面能(neng)稱(cheng)為表(biao)(biao)(biao)面張力(li)。而J/m=N/m，并(bing)不是(shi)(shi)力(li)的(de)單位N，因此表(biao)(biao)(biao)面張力(li)代(dai)表(biao)(biao)(biao)的(de)是(shi)(shi)作用在(zai)單位長(chang)度的(de)表(biao)(biao)(biao)面上的(de)力(li)。在(zai)下圖(tu)所示的(de)實驗中，肥(fei)皂水膜在(zai)力(li)F的(de)牽拉下長(chang)大，表(biao)(biao)(biao)面張力(li)便是(shi)(shi)

其中，分母上的2來自于正反兩側(ce)都有表面(mian)的產(chan)生。

圖8表面張力實(shi)驗示意圖|圖片源于【1】

那么(me)表面(mian)張力(li)的方(fang)向(xiang)是什么(me)呢？我們同(tong)樣類(lei)比重力(li)、彈力(li)等力(li)。簡單回(hui)顧不難發(fa)現，如果將表面(mian)張力(li)理解為單位(wei)面(mian)積(ji)形(xing)變引起的能(neng)量(liang)升高(gao)，那么(me)對(dui)應的力(li)應該指向(xiang)使(shi)得能(neng)量(liang)降低的方(fang)向(xiang)。對(dui)于表面(mian)張力(li)，自然就是沿切(qie)線使(shi)得表面(mian)收(shou)縮的方(fang)向(xiang)。

圖(tu)9表(biao)面張力的方向示意

·Part 3：追(zhui)求(qiu)球(qiu)形，張(zhang)力與重力之爭·

在這一部分開始前，首先提出(chu)一個問題：在失重條件下(xia)，液滴(di)會呈(cheng)現什么形狀(zhuang)？

稍(shao)加回憶，看(kan)過太空(kong)授(shou)課(ke)的(de)讀者應該都(dou)想起了(le)那(nei)顆懸(xuan)浮(fu)在太空(kong)中的(de)球形水滴。

圖10太空授(shou)課畫面(mian)截屏

沒錯，失重環境下的(de)液(ye)滴(di)正是呈現球(qiu)形，因(yin)為在一(yi)定的(de)體積下，球(qiu)體的(de)表(biao)面積最小(xiao)，因(yin)此球(qiu)形液(ye)滴(di)的(de)總表(biao)面能(neng)最低。那(nei)么，在有重力的(de)情況下呢？

圖11表面分子(zi)有(you)進入內部的趨(qu)勢

在液(ye)滴的表(biao)(biao)面(mian)，每個分子(zi)(zi)都(dou)會受到沿切線(xian)的表(biao)(biao)面(mian)張力(li)，效果(guo)上(shang)相當于每個分子(zi)(zi)（如(ru)A和(he)C）都(dou)在拉周圍(wei)的分子(zi)(zi)（如(ru)B）。B受到的周圍(wei)表(biao)(biao)面(mian)分子(zi)(zi)的力(li)的合力(li)指向內部(bu)，有進入內部(bu)的趨勢。這種張力(li)的作用使得(de)液(ye)滴盡可能維持著接(jie)近球(qiu)形的狀態(tai)，即擁有盡可能小的表(biao)(biao)面(mian)積。然而，重力(li)起到另一種作用。

圖12重力(li)的作用

重力的(de)作用希望(wang)每個水分子都處在盡可能低的(de)地方，顯然呈現(xian)近似球形的(de)形狀并不是(shi)重力勢能最低的(de)情況。因(yin)此，表面(mian)張力與重力之間便存在著競(jing)爭。

圖13重力(li)與張(zhang)力(li)的競爭(zheng)

不(bu)難想象，如果張力很強，液(ye)滴就(jiu)會維持住近似球形的(de)形狀而不(bu)坍塌。如果張力很弱(ruo)，無法(fa)與重力抗衡(heng)，液(ye)滴就(jiu)會破碎。回(hui)到吹泡(pao)泡(pao)的(de)問題(ti)，之所以(yi)一般(ban)要(yao)蘸肥(fei)皂(zao)水而非純水，就(jiu)是因為純水的(de)表面張力較小，不(bu)足以(yi)與液(ye)膜所受的(de)重力抗衡(heng)。然而在太空中，重力不(bu)再作用，水膜便可以(yi)穩定存在了！

圖14太空中(zhong)的水膜

進一(yi)步(bu)地(di)，就涉及到一(yi)個問題：不同物(wu)質的(de)(de)表面張力(li)的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)與什么(me)有關(guan)呢？在(zai)定性上，我們可以引(yin)入稱為親和度的(de)(de)概(gai)念，它(ta)反映了(le)界面兩(liang)側物(wu)質親疏關(guan)系。如果兩(liang)側的(de)(de)物(wu)質很親和，那么(me)待(dai)在(zai)內部和表面其實區別不大(da)(da)，畢竟大(da)(da)家(jia)都合得來，因此表面張力(li)相對較(jiao)小(xiao)。反之(zhi)，如果兩(liang)側的(de)(de)物(wu)質關(guan)系很疏遠(yuan)，表面張力(li)會很大(da)(da)。而這，正是浸潤現象產生的(de)(de)根源。

·Part 4：浸潤，分子(zi)間的愛(ai)恨情仇·

浸潤現(xian)(xian)象(xiang)，這個詞可(ke)能大家比較陌(mo)生(sheng)，但是(shi)對應的(de)物理現(xian)(xian)象(xiang)非常常見。比如下圖所示的(de)防水衣服以(yi)及公交車車窗上的(de)水滴就是(shi)非浸潤和(he)浸潤代表性的(de)場景。

圖15生活中的浸(jin)潤(run)與(yu)非浸(jin)潤(run)現象

仔(zi)細觀察(cha)上(shang)面的場(chang)景，我(wo)們發(fa)現并(bing)不是(shi)只存在兩(liang)種(zhong)物質（準(zhun)確的說(shuo)應是(shi)物相，因為空氣(qi)有復雜的成分），而(er)是(shi)三種(zhong)——一種(zhong)作為基底的固體、一種(zhong)液體和環境中的氣(qi)體。因此，我(wo)們面對(dui)的浸(jin)潤問(wen)題中所(suo)涉及(ji)到的界面也不是(shi)一種(zhong)，而(er)是(shi)兩(liang)兩(liang)之間組成的三種(zhong)。

圖16物質(zhi)間(jian)關系示意

很自然的(de)(de)，表面張力(li)會存在于任何(he)一個界(jie)面上，其大小與兩側物(wu)種(zhong)的(de)(de)相對親和關系有關，而方向(xiang)沿(yan)著(zhu)界(jie)面指向(xiang)使得該界(jie)面收縮的(de)(de)方向(xiang)。而最終的(de)(de)狀態需要(yao)讓這(zhe)三個力(li)的(de)(de)分量達(da)到平(ping)衡。

圖17三個界面交界處張(zhang)力的競爭(zheng)

 對于浸潤的情況，液體(ti)與固體(ti)物質間的關系很(hen)好，最(zui)為(wei)(wei)極端地可(ke)以認為(wei)(wei)該界面(mian)(mian)處的表面(mian)(mian)張力小(xiao)到(dao)可(ke)以忽略。這樣(yang)一來(lai)，需要紅色和藍色的力的水平(ping)分量達到(dao)平(ping)衡(heng)，液滴的形狀趨于扁平(ping)。一般將氣液界面(mian)(mian)處張力與液固界面(mian)(mian)的夾角(jiao)稱為(wei)(wei)接觸角(jiao)，對于浸潤現象(xiang)顯(xian)著的親水表面(mian)(mian)接觸角(jiao)很(hen)小(xiao)。

圖18浸(jin)潤微(wei)觀示意

反之(zhi)，對于(yu)疏(shu)水表面(mian)，固液界面(mian)處的表面(mian)張力(li)可能(neng)非(fei)常大，以至于(yu)接觸角(jiao)只有達到(dao)鈍角(jiao)甚(shen)至趨近于(yu)180°才(cai)能(neng)達到(dao)平(ping)衡，此時的現象稱(cheng)為非(fei)浸潤或者不(bu)能(neng)浸潤。而這(zhe)種表面(mian)由于(yu)較高的疏(shu)水性被稱(cheng)為超疏(shu)水表面(mian)。

圖19非浸潤微觀示意

講到這里(li)，部分(fen)讀者可能已經猜到了，荷葉(xie)的(de)表面正(zheng)是一(yi)種天然的(de)超疏水物質，因此水在荷葉(xie)的(de)表面呈現(xian)接近球(qiu)形。

圖20自(zi)然(ran)界中的超疏水現象(xiang)

不僅是(shi)自然界(jie)中(zhong)，科(ke)學家(jia)們在實驗室中(zhong)也制備出效(xiao)果更加顯(xian)著(zhu)的(de)超(chao)疏水(shui)或(huo)超(chao)親水(shui)表面，比(bi)如下圖中(zhong)呈現出極(ji)端的(de)非浸潤(run)與(yu)浸潤(run)現象。

圖片

圖21人工(gong)的超(chao)疏水(shui)/超(chao)親水(shui)表(biao)面|圖片源于【2】

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夜幕降臨，

一陣晚風吹(chui)過，

荷葉猛地搖動，

幾顆水珠滾落在池塘中，

泛起道(dao)道(dao)波紋。

一只水黽在水面上劃(hua)過(guo)，

只竄(cuan)了幾竄(cuan)，

便消(xiao)失在那片泛(fan)白的月光里。

它哪里知道，

托起自己身軀(qu)的，

便是神(shen)奇的(de)表面張力(li)……

參考資料：

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

【2】超疏水/超親水表面改性-用于各種塑料