神奇的表面张力

晁 蒙 杨艳霞

(清华大学附属中学永丰学校)

2022年3月23日,“天宫课堂”第二课开讲,航天员翟志刚、王亚平和叶光富又一次为我们带来了别开生面的小课堂.第一次“天宫课堂”中微重力环境下的水膜实验让人印象深刻,这次的液桥实验更是不同凡响.那你知道水膜注水变成水球、水球连接形成液桥的原因吗?

其实,这些都和液体的表面张力有关.表面张力是指液体表面任意相邻部分之间垂直于它们单位长度分界线方向相互作用的拉力,在表面张力的作用下,液面会尽可能地紧绷.

为什么液体表面具有收缩的趋势呢? 这是因为液体表面有一层与空气接触的薄层,叫作表面层.表面层内的分子比液体内部稀疏,受到的分子力也与液体内部分子不同.我们知道,当分子间距离r小于平衡位置r0时,分子间作用力表现为斥力;r大于平衡位置r0时,分子间作用力表现为引力.在液体内部,分子间的平均距离略小于r0,作用力表现为斥力;在表面层内,分子间的平均距离略大于r0,作用力表现为引力.这种力使得液体表面紧绷,宏观表现为液体的表面张力.于是,液体在表面张力的作用下聚拢在一起.

在体积一定的情况下,球的表面积最小,所以露珠和肥皂泡泡等易“收缩”成球状.当水滴逐渐变大时,水的表面张力无法承受水的重力,因此会有水滴坠下.液体的表面张力在地球和太空中都是存在的,但是在太空失重的环境下,水滴会在表面张力的作用下呈现出均匀的球状,即便水滴逐渐增大,水球也不会破裂.将纸花放入水球,水分子进入纸纤维的缝隙中,纤维吸水膨胀,折痕处逐渐舒展开来,呈现出纸花徐徐盛开的景象.

同样,在表面张力的作用下,水球在两块液桥板之间形成一段液柱,也就是我们所说的“液桥”.水的表面张力作用像一层虚拟的“网”兜住了液柱,使得液桥的形貌得以维持.重力环境下同样可以形成液桥,只是尺寸要小得多.一旦超过这个尺寸,液桥将无法平衡重力作用而坍塌.

图1

生活中有很多现象与液体的表面张力有关.例如,水黾等可以停留在水面上而不下沉,就是因为水黾的腿部结构比较特殊,与液面接触面积大,停留在水面上时,水面在表面张力的作用下发生弹性形变,进而对与它接触的水黾施加向上的弹力.于是,水面犹如一张弹性薄膜托举着水黾,弹力与重力平衡,水黾就可以静止在水面上.表面张力的大小与液体种类、液体温度、杂质等因素有关.一般温度越高,液体的表面张力越小.杂质的出现也会影响液体的表面张力,例如纯净水的表面张力比较大,而加入肥皂或者洗洁精的水具有较小的表面张力,这就是清水吹不出泡泡,而肥皂水容易吹出泡泡的原因.

在与表面张力有关的种种现象中,还有一个重要的概念叫作接触角.接触角是指在气、液、固三相交界处所作的气—液交界面切线与固—液交界面切线之间的夹角.若接触角θ＜90°,则固体是亲液的,即液体和与之接触的固体之间的作用力比液体分子间的作用力强,液体可浸润固体.例如,常见的葡萄酒“挂杯”就是因为葡萄酒和酒杯之间的作用力大于葡萄酒的表面张力,葡萄酒便在摇晃的过程中“爬”上了酒杯内壁并在重力作用下徐徐下滑.“挂杯”是葡萄酒成熟的正常表现.挂杯还可分为“长挂杯”和“短挂杯”,一般糖分越高的葡萄酒,酒体就越浓稠,越容易形成“长挂杯”.除此之外,酒杯的材质等因素也会影响葡萄酒挂杯,一般玻璃杯的表面比水晶杯更光滑,所以水晶杯装的葡萄酒更容易挂杯.挂杯不会影响葡萄酒的口感,也不能简单地用葡萄酒的挂杯程度来确定葡萄酒的品质优劣.所以,品尝葡萄酒时不必在“挂杯程度”上纠结,享受葡萄酒的独特口感就好.

图2

相反,若接触角θ＞90°,则固体是疏液的,即液体和与之接触的固体之间的作用力比液体分子间的作用力弱,液体不浸润固体,容易在固体表面移动.荷叶表面就有很强的疏水性,因为荷叶表面有一层绒毛和微小的蜡质纳米颗粒,表面张力作用下形成的露珠在这些纳米颗粒上不漫延、不浸润,接触角在130°～160°之间.露珠受力不平衡时,容易在荷叶上自由滚动.滚动的露珠可以带走荷叶表面的灰尘,使荷叶保持“出淤泥而不染”的状态.

“荷叶效应”在生活中有很多实际的应用,例如,传统衣物容易被雨水等浸湿,但是衣物经过涂层处理后,水不能浸润,就能达到防水的效果.汽车烤漆、瓷砖的瓷釉涂层同样利用表面张力使其达到“自洁”的效果.电镀的过程也需要权衡表面张力的影响,如果电镀液或者化学液的表面张力太高,浸润性不好,电镀液就无法充分浸润到孔隙中,影响喷涂效果.因此,通常会在电镀液中加入润湿剂等来降低镀液的表面张力,进而增强液体的附着性能.

明是非、辨利害,多争取有利的一面,多防范弊端的发生,让知识更好地服务于人类社会,我们的生活就能更和谐,我们的国家就能更昌盛.

(完)