神奇的表面张力

来源：刘建林科学网博客，作者：刘建林。

在自然界和日常生活中，液体的表面张力常会引起各种各样有趣的现象。从物理的角度来看，物质的表面与其内部的分子或原子的受力状态是差别很大的。例如，液体内部的一个分子在其四面八方都受到它相邻分子的作用力，但是这些力是可以相互抵消的，因而这个分子的整体受力是平衡的。但是对处于液体表面上的分子而言，它们在一侧受到空气的作用力，在另一侧则受到液体内部分子的作用力，这两个力一般不相等，因而整个液体表面会发生变形。液体的表面分子由于发生变形而产生一种张紧的拉力，称为表面张力。因此液体的表面就具有一种不同于体内的能量，称之为表面能。这些液体表面分子组成了一层薄膜，由于表面张力的作用，这层薄膜会产生绷紧的趋势，这种趋势会使薄膜的表面积或者表面能尽可能地减小。

图1 表面张力

正是由于表面张力会尽可能地使液滴的表面积减小，所以我们会观察到露珠的形状更接近于球形。这是因为在质量一定的情况下，球在所有几何体中的表面积最小。因此看到露珠的美丽璀璨，大诗人白居易就情不自禁地发出了“露似珍珠月似弓”的咏吟（图1）。而下雨过后，我们也会观察到蜘蛛网上挂满了一串串晶莹透明的小液珠。这是由于水的表面张力使得原来覆盖在蜘蛛丝表面上的液膜的总能量达到最小的状态，从而在我们面前展现出了这一壮观的图景。这种现象在力学上被称为“瑞利失稳”（图2），是英国诺贝尔奖得主瑞利 (Rayleigh) 最早研究的。

图2 蜘蛛网上的液珠串

表面张力尽管微小，但是我们能够通过实验真实地感受到它的存在。例如图3所示，我们把一根铁丝弯成 V 字型，同时在其两个端点拴上一根细棉线，此时棉线并没有绷紧。当将这个结构放入到肥皂液中并提出液面时，我们会惊奇地发现，在整个框架和棉线之间形成了一层薄薄的液膜。并且此时棉线被绷紧了，形成了一条光滑的圆弧线。通过棉线的形状，我们可以计算出表面张力的大小。这个小实验就形象地说明了表面张力对棉线形成了一个拉力，同时也说明了液膜在表面张力作用下会尽量降低自己的表面积和表面能。

图3 液膜把棉线拉紧

实际上，在宏观尺度上，表面张力确实是一种比较微弱的力。例如我们计算一艘轮船所受的浮力时就没有必要考虑表面张力的影响。但是当物体的尺寸逐渐减小时，其所受到的表面力要远比体积力（如重力、电场力等）的影响大。我们可以想象一个小球，它的表面积和体积分别与其半径的平方和立方成正比，故此二者之比与球的半径成反比。这个比值我们通常称为“比表面积”。所以当小球的体积非常小，例如到了微纳米量级时，其比表面积将是一个非常大的数。此时很显然，体积对其物理特性的影响微乎其微，起主导作用的因素就是表面积或者表面能了。如图4所示，我们可以用一根重量很轻的缝衣针来形象地演示表面张力的作用。尽管金属的密度远比水的大，但是当把这根缝衣针轻轻地放置在水面上时，可以发现它能够漂浮在液面而不下沉。我们还会观察到，在针的周围由于表面张力的作用形成了一个弯液面的凹坑。而根据阿基米德定律，我们知道这种形状的弯液面使得针能够排开更多水的体积。所以对于体积比较小的针而言，此时表面张力对它产生较大的浮力是起主导作用的。

图4 缝衣针浮在水面上

与缝衣针浮在水面的情形类似，一些水生的小动物能够轻松自如地在水面运动。如图5所示的水黾，是一种水生的半翅目类昆虫，它不但能够静止地站立在水面上，还能够在水面进行跳跃运动，因此常被称作“池塘中的溜冰者”。正如英国作家Hilaire Belloc在诗中对水黾的赞美：“它在水面漫步，显得那么轻盈、敏捷、悠闲、逍遥，它使人们的奔跑为之逊色；又令你不由得目瞪口呆……”。正因为水黾拥有“轻盈、敏捷、悠闲、逍遥”的非凡水上奔走特技，从而引起了人们的广泛兴趣，那么其内在的物理机制是什么呢？最近的研究表明水黾有以下几个特点：

• 水黾的体重较轻；

  
  

• 通过扫面电镜观察，会发现其腿部长满了微米量级的刚毛，而这些刚毛上面又长有更为细小的纳米量级的沟槽；

  
  

• 通过测试液体浸润性的仪器发现，构成水黾整个腿的材料具备很强排斥水的性能；

  
  

• 水黾的腿部有关节，能够调节其腿的变形；

  
  

• 水黾腿部的横截面是空心的。

正是由于这多种因素的协同作用，使水黾具备了产生超强浮力的能力，因而能够在水面闲庭信步。与水黾类似，蚊子也能在水面上自由地站立，以进行摄食和产卵。并且蚊子的腿能够很轻松地从水面脱开而不被水所粘住，因而能够顺利飞到空中，其主要原因也是由于蚊子的腿部具有特殊的微纳米结构。

图5 水黾在水面行走

除了水黾、水蜘蛛和蚊子外，还有其他一些小动物也常年生活在水中。这些小动物除了在水上运动外，还需要定期到岸上去觅食和产卵等。但是由于毛细作用，在岸墙与水面之间通常会形成一个弯液面，这对于这些想爬到岸上去的小动物而言是一个很难克服的天然障碍。例如图6(a) 所示的长有腿的小动物试图爬上弯液面但是却无法成功，这是因为它的腿部刚性太大而不能自由地变形；而图6(b) 中的小虫子却比较“懒惰”，因为它没有腿可以进行攀登，所以就借助于另外的方式。这种小虫子的身体是柔性的，所以它仅仅通过合理地调整身体的姿态就能够很轻松地翻越这个弯液面。在它调整身体姿态的过程中，造成了身体前后两个部分所承受的液体表面张力的分量大小不一样，前方的力较大，故而它能够克服自身的重力而向前运动。这说明后一种小动物具备非凡的智慧，它已经学会了合理利用表面张力来达到自己的目的。

(a) 小动物无法翻越弯液面

(b) 小虫子调整身体姿态能够翻越弯液面

图6 翻越弯液面的小动物

还有很多小动物也具有神奇地利用表面张力的能力。例如蝉的翅膀是透明而不沾水的，所以在下雨天能够飞行；鸭子的羽毛能够分泌排斥水的油脂，如果把这层油脂去掉，它有可能被淹死；纳米比亚沙漠中的一种甲壳虫能够利用其外壳的特殊微纳米结构从雾气中收集露水；德克萨斯角蜥能够站在泥塘中，通过其腿部的毛细管吸收水分而输送到嘴中。另外，我们都知道，一只蚂蚁是很害怕水的。但是当发洪灾时，我们会经常看到蚂蚁会抱成一团，如图7所示。这是因为当它们抱成一团时，其整体的抵抗水的能力得到大大提高，从而能够安全地度过洪灾。

图7 水中的蚂蚁抱成一团

不止是动物，自然界中的很多植物也具备超强的排斥液体的能力。为了阐述它们的亲疏水能力，这儿先介绍几个概念。

当一滴水放在光滑水平面上时，液滴边缘点处液体与气体的界面切线与水平线之间的夹角称为接触角。如果接触角小于90度，说明液体是亲水的；如果大于90度，则是疏水的；如果大于150度，则是超疏水的。下雨时，荷叶和芋头叶子表面上的雨滴形成很多晶莹的水珠，此时这些小液滴在叶子表面的形状接近于球形，也就是说此时的接触角接近于180度，所以说荷叶是超疏水的。同时当水珠滚落时，会带走叶子表面的污染物，因此这些植物不但具有超疏水的性能，而且能够防止灰尘的污染，所以永远是清洁的。自古以来，荷花（也叫圣莲）能够出淤泥而不染，通常被认为是圣洁的植物，因而这种神奇的超疏水现象叫作“自清洁效应”或者“莲花效应”（图8）。植物的叶子具备自清洁功能的原因并不是因为它们的叶子是光滑的，而恰恰相反，这些叶子具有令人吃惊的粗糙度。通过扫面电镜观察，这些具备超疏水性能的植物叶子外表面一般都具有精细而复杂的微结构，在这些微米量级的结构上又生长着更小的纳米量级的管状蜡质。这种微纳米多级结构就能够比一般的单纯微结构产生更强的超疏水能力。

图8 荷叶上面的液滴

关于表面张力的另外一个有趣的现象是，某些水鸟可以通过表面张力调控其吸收到口中的毫米量级的液滴（这些液滴里面包含着食物），从而完成其摄食过程。如图9所示，这种水鸟的喙分为上下两个部分，由于液滴的重力较大，所以当喙张开时，液滴不能够一步到位地进入嘴中。但是它的喙能够像个镊子一样反复连续地张开和闭合，从而改变了液滴的形状和它的接触角。这样液滴就能够从喙的尖端以一种步进的棘轮方式进入到嘴中。我们也很容易用一个夹有一个液滴的镊子来演示这个过程。

图9 水鸟通过毛细棘轮效应进行摄食

从上述动植物巧妙利用表面张力的例子中，我们可以看到，大自然中各种神奇的现象层出不穷，直如鬼斧神工、浑然天成，令人叹为观止。这是由于大自然经过亿万年的演化，经历过自然选择和优胜劣汰，已经形成了生物体功能的完善与优化，即“自然界按最简单、最有效的方式演化”。动植物利用表面张力的各种现象充分展现了他们本身奇妙的特性、周密的结构和经济适用的特点。这些动植物新奇的本领也激发了我们的灵感，促使我们虚心地向大自然学习，从而能够制造出有特殊性质的新材料和新产品。现在，通过自然界进行仿生表面的研发已经成为现代仿生学领域的一个重要分支。如通过对荷叶的表面微纳米结构仿生，可以制作成防水和防油的衣服、不沾雨滴的车窗玻璃、不沾雪的天线、疏水的船用涂料等。通过研究水生小动物的运动，可以设计出微小的船舶。通过研究动物吸水、存水的机理，可以设计出“人工皮肤”或者特殊的装置来保证在干燥的沙漠中旅行时能够存储足够的水分。我们也可以利用表面张力的原理来设计新型的微流体器件，并进行药物的输运。总之，在微纳米尺度上利用表面张力来设计新材料和新器件，已经成为当今前沿科学研究的一个热点。