葡萄酒淚與馬蘭戈尼效應(yīng)

飲用葡萄酒時(shí)，人們常常會(huì)搖晃酒杯，這時(shí)葡萄酒液總會(huì)“掛壁”，即在杯壁上面形成一條條液柱，沿著杯壁緩緩地向下滑落，看上去仿佛在流淚，因此被法國人稱為葡萄酒淚。關(guān)于葡萄酒淚的形成，其實(shí)還藏著一個(gè)神奇的物理學(xué)效應(yīng)。

1865年，意大利物理學(xué)家卡羅·馬蘭戈尼在觀察葡萄酒在高腳杯中的“掛壁”現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，酒精的揮發(fā)使杯壁上殘余液體中水的占比升高，表面張力隨之增強(qiáng)。與此相對(duì)的，杯中酒液的酒精含量變高，表面張力變?nèi)酰咧g形成了“表面張力梯度”。在這一梯度的作用下，液體被從表面張力較弱的區(qū)域拉向表面張力較強(qiáng)的區(qū)域，源源不斷的酒液抵達(dá)“掛壁”頂端后復(fù)又滾落，便形成了葡萄酒淚。

葡萄酒淚現(xiàn)象揭示了一種與重力無關(guān)的自然對(duì)流現(xiàn)象，即在表面張力梯度的驅(qū)動(dòng)下，兩種流體之間會(huì)產(chǎn)生對(duì)流。這在流體力學(xué)領(lǐng)域轟動(dòng)一時(shí)，很快便被以馬蘭戈尼的名字命名，有了如今人們廣為熟知的馬蘭戈尼效應(yīng)。

聽起來或許有些復(fù)雜，但馬蘭戈尼效應(yīng)在日常生活中其實(shí)極為常見。

在飲茶時(shí)，茶湯與“掛壁”的葡萄酒淚一樣，被從表面張力較弱的區(qū)域拉向表面張力較強(qiáng)的區(qū)域，結(jié)合蒸發(fā)現(xiàn)象，茶湯所攜帶的顆粒物質(zhì)在杯壁產(chǎn)生環(huán)形沉積，便形成了難以洗凈的“茶漬”。這是由不同溶質(zhì)所產(chǎn)生的表面張力差異造成的。

當(dāng)人們向滾燙的熱水中倒入冷水，熱水的表面張力更弱，表面張力梯度拉動(dòng)熱水上行，熱水竟然會(huì)“逆流而上”。這是不同溫度所產(chǎn)生的表面張力差異。

如今，有關(guān)馬蘭戈尼效應(yīng)的研究已經(jīng)延伸到了熱力學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域，研究人員正依托跨學(xué)科研究，推動(dòng)與其相關(guān)的技術(shù)飛速發(fā)展。

以噴墨打印機(jī)為例，馬蘭戈尼效應(yīng)的存在使墨水在紙上蒸發(fā)留下不均勻的墨跡，導(dǎo)致印刷品模糊不清。因此，研究人員通過調(diào)整溶液黏度、控制干燥溫度等手段，改良墨水配方，減少液滴內(nèi)部的毛細(xì)流動(dòng)，減緩溶質(zhì)向邊緣的遷移速度，從而改善噴墨打印沉積薄膜厚度的均勻性，獲得更清晰、美觀的打印效果。提到“改善薄膜厚度的均勻性”，你能否聯(lián)想到更多？比如，有機(jī)場效晶體管（OFET）。

有機(jī)場效晶體管是一種利用有機(jī)半導(dǎo)體材料作為信道的場效應(yīng)晶體管，在中學(xué)物理中常作為知識(shí)外延被提及。它以輕質(zhì)、柔性等優(yōu)勢特性，被視作有機(jī)柔性電子器件的優(yōu)質(zhì)組件，成為航空航天電子系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)儀器及各類傳感器的核心組成部分。而它的制備又離不開一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——溶液處理成膜。因此，研究人員通過改變?nèi)苜|(zhì)顆粒形狀，使用表面活性劑等方法，調(diào)節(jié)馬蘭戈尼效應(yīng)以增強(qiáng)薄膜均勻度，從而優(yōu)化器件的遷移率和閾值電壓，使它功耗更低、壽命更長、可靠性更強(qiáng)，顯著增強(qiáng)了在太空環(huán)境及極端條件下的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。這一應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)有機(jī)電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)及航空航天裝備制造領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

從一滴活躍的水珠，到噴墨打印機(jī)的迭代與升級(jí)。從在杯壁上“流連忘返”的葡萄酒淚，到半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)創(chuàng)新……馬蘭戈尼效應(yīng)的運(yùn)用場景其實(shí)還有很多。這些看似風(fēng)馬牛不相及的原理和技術(shù)，在人類智慧的催化下被巧妙地串聯(lián)起來，一次又一次地在世界大舞臺(tái)上綻放出耀眼的光芒，同時(shí)提醒著我們，那些足以撼動(dòng)世界的偉大發(fā)現(xiàn)，往往就潛藏在我們的身邊。