神奇的表面張力

黃才發(fā)

生活中有很多現(xiàn)象，因?yàn)槌Ｒ姸苌儆腥硕鄦杺€(gè)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(guó)空間站演示的微重力環(huán)境下水膜張力實(shí)驗(yàn)以及泡騰片實(shí)驗(yàn)，就涉及表面張力的知識(shí)。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(zhǎng)度分界線相互作用的拉力。通俗來講，即水等液體會(huì)產(chǎn)生使表面盡可能縮小的力，這個(gè)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(gè)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(qiáng)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(diǎn)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(rùn)濕固體;若θ>90°，則固體是疏水的，即液體不潤(rùn)濕固體，容易在表面上移動(dòng)。

水珠能在荷葉上自由滾動(dòng)，這是因?yàn)樗谌~面上的接觸角介于130～160度之間，不易潤(rùn)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(qiáng)的疏水性，水珠在滾動(dòng)過程中即可將灰塵帶走，從而達(dá)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(yùn)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(dá)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(rùn)，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(huì)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(gè)小實(shí)驗(yàn)來感受一下表面張力。

[ 器材準(zhǔn)備]

一次性塑料杯2個(gè)、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(shí)驗(yàn)1：

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

小實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)3：

把鐵線圈成個(gè)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(huì)附上泡泡液薄膜，此時(shí)棉線明顯是松弛的。當(dāng)刺破棉線一側(cè)薄膜，會(huì)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(shí)有收縮的趨勢(shì)。（圖3）

小實(shí)驗(yàn)4：

用鐵線做個(gè)幾字形金屬框，銅線做個(gè)滑動(dòng)邊。把整體放入泡泡液后取出，框上附上液膜，把活動(dòng)邊拉至一側(cè)松開手，就會(huì)發(fā)現(xiàn)液膜被滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(gè)點(diǎn)上擺成放射線狀。再在中間點(diǎn)的位置滴幾滴水，觀察牙簽的變化。水的表面張力使牙簽動(dòng)起來，形成了一個(gè)五角星。（圖5）

小實(shí)驗(yàn)6：

用鐵線（或銅線）做多個(gè)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(huì)有意外驚喜。（圖6）