神奇的表面張力＊

劉建林 谷翰霖 茍飛林 蘭 迪④

①副教授，②③④本科生，中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580＊國家自然科學(xué)基金項目（11272357）

神奇的表面張力＊

劉建林①谷翰霖②茍飛林③蘭 迪④

①副教授，②③④本科生，中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580
＊國家自然科學(xué)基金項目（11272357）

表面張力 能量最小 尺寸效應(yīng) 仿生

在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，表面張力引起大量有趣的物理現(xiàn)象。筆者介紹了表面張力的物理本質(zhì)，并綜述了自然界中表面張力引起的幾個新奇現(xiàn)象，例如球狀露珠、液膜、浮在水面的針和水面運(yùn)動小動物、抱團(tuán)螞蟻筏子、荷葉超疏水、以及水鳥的特殊攝食機(jī)制等。這些表面張力誘發(fā)的現(xiàn)象為我們向自然界學(xué)習(xí)并仿生制造新型的工具提供了重要的思路。

在自然界和日常生活中，液體的表面張力常會引起各種各樣有趣的現(xiàn)象。從物理的角度來看，物質(zhì)的表面與其內(nèi)部的分子或原子的受力狀態(tài)差別是很大的。例如，液體內(nèi)部的一個分子在其四面八方都受到它相鄰分子的作用力，但是這些力是可以相互抵消的，因而這個分子的整體受力是平衡的。但是對處于液體表面上的分子而言，它們在一側(cè)受到空氣的作用力，在另一側(cè)則受到液體內(nèi)部分子的作用力，這兩個力一般不相等，因而整個液體表面會發(fā)生變形。液體的表面分子由于發(fā)生變形而產(chǎn)生一種張緊的拉力，稱為表面張力；因此液體的表面就具有一種不同于體內(nèi)的能量，稱之為表面能。這些液體表面分子組成了一層薄膜，由于表面張力的作用，這層薄膜會產(chǎn)生繃緊的趨勢，這種趨勢會使薄膜的表面積或者表面能盡可能地減?。?］。

正是由于表面張力會盡可能地使液滴的表面積減小，所以我們會觀察到露珠的形狀更接近于球形。這是因?yàn)樵谫|(zhì)量一定的情況下，球在所有幾何體中的表面積最小。因此看到露珠的美麗璀璨，大詩人白居易就情不自禁地發(fā)出了“露似珍珠月似弓”的詠吟（圖1）。下雨過后，我們也會觀察到蜘蛛網(wǎng)上掛滿了一串串晶瑩透明的小液珠。這是由于水的表面張力使得原來覆蓋在蜘蛛絲表面上的液膜的總能量達(dá)到最小的狀態(tài)，從而在我們面前展現(xiàn)出了這一壯觀的圖景。這種現(xiàn)象在力學(xué)上被稱為“瑞利失穩(wěn)”（圖2），是英國諾貝爾獎得主瑞利（Rayleigh）最早研究的［1－2］。

圖1 小草上的露珠

圖2 蜘蛛網(wǎng)上面的液珠串

表面張力盡管微小，但是我們能夠通過實(shí)驗(yàn)真實(shí)地感受到它的存在。例如圖3所示，我們把一根鐵絲彎成V字型，同時在其兩個端點(diǎn)拴上一根細(xì)棉線，此時棉線并沒有繃緊。當(dāng)將這個結(jié)構(gòu)放入到肥皂液中并提出液面時，我們會驚奇地發(fā)現(xiàn)，在整個框架和棉線之間形成了一層薄薄的液膜，并且此時棉線被繃緊了，形成了一條光滑的圓弧線。通過棉線的形狀，我們可以計算出表面張力的大小。這個小實(shí)驗(yàn)就形象地說明了表面張力對棉線形成了一個拉力，同時也說明了液膜在表面張力作用下會盡量降低自己的表面積和表面能。

圖3 液膜把棉線拉緊

實(shí)際上，在宏觀尺度上，表面張力確實(shí)是一種比較微弱的力。例如計算一艘輪船所受的浮力時就沒有必要考慮表面張力的影響。但是當(dāng)物體的尺寸逐漸減小時，其所受到的表面力要遠(yuǎn)比體積力（如重力、電場力等）的影響大。我們可以想象一個小球，它的表面積和體積分別與其半徑的平方和立方成正比，故此兩者之比與球的半徑成反比。這個比值我們通常稱為“比表面積”，所以當(dāng)小球的體積非常小，例如到了微納米量級時，其比表面積將是一個非常大的數(shù)。很顯然，此時體積對其物理特性的影響微乎其微，起主導(dǎo)作用的因素就是表面積或者表面能了。如圖4所示，我們可以用一根重量很輕的縫衣針來形象地演示表面張力的作用。盡管金屬的密度遠(yuǎn)比水的大，但是當(dāng)把這根縫衣針輕輕地放置在水面上時，可以發(fā)現(xiàn)它能夠漂浮在液面而不下沉。我們還會觀察到，在針的周圍由于表面張力的作用形成了一個彎液面的凹坑。根據(jù)阿基米德定律，我們知道這種形狀的彎液面使得針能夠排開更多水的體積，所以對于體積比較小的針而言，此時表面張力對它產(chǎn)生較大的浮力是起主導(dǎo)作用的。

圖4 縫衣針浮在水面上

與縫衣針浮在水面的情形類似，一些水生的小動物能夠輕松自如地在水面運(yùn)動。如圖5所示的水黽，是一種水生的半翅目類昆蟲，它不但能夠靜止地站立在水面上，還能夠在水面進(jìn)行跳躍運(yùn)動，因此常被稱作“池塘中的溜冰者”。正如英國作家Hilaire Belloc在詩中對水黽的贊美：“它在水面漫步，顯得那么輕盈、敏捷、悠閑、逍遙，它使人們的奔跑為之遜色；又令你不由得目瞪口呆……”。正因?yàn)樗w擁有“輕盈、敏捷、悠閑、逍遙”的非凡水上奔走特技，從而引起了人們的廣泛興趣，那么其內(nèi)在的物理機(jī)制是什么呢？最近的研究表明水黽有以下幾個特點(diǎn)：①水黽的體重較輕；②通過掃描電鏡觀察，會發(fā)現(xiàn)其腿部長滿了微米量級的剛毛，而這些剛毛上面又長有更為細(xì)小的納米量級的溝槽；③通過測試液體浸潤性的儀器發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成水黽整個腿的材料具備很強(qiáng)排斥水的性能；④水黽的腿部有關(guān)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)其腿的變形；⑤水黽腿部的橫截面是空心的［3－4］。正是由于這多種因素的協(xié)同作用，使水黽具備了產(chǎn)生超強(qiáng)浮力的能力，因而能夠在水面閑庭信步。與水黽類似，蚊子也能在水面上自由地站立，以進(jìn)行攝食和產(chǎn)卵。并且蚊子的腿能夠很輕松地從水面脫開而不被水所粘住，因而能夠順利飛到空中，其主要原因也是由于蚊子的腿部具有特殊的微納米結(jié)構(gòu)［5］。

圖5 水黽在水面行走

除了水黽、水蜘蛛和蚊子外，還有其他一些小動物也常年生活在水中。這些小動物除了在水上運(yùn)動外，還需要定期到岸上去覓食和產(chǎn)卵等。但是由于毛細(xì)作用，在岸墻與水面之間通常會形成一個彎液面，這對于這些想爬到岸上去的小動物而言是一個很難克服的天然障礙［6］。例如圖6（a）所示的長有腿的小動物試圖爬上彎液面卻無法成功，這是因?yàn)樗耐炔縿傂蕴蠖荒茏杂傻刈冃危欢鴪D6（b）中的小蟲子比較“懶惰”，因?yàn)樗鼪]有腿可以進(jìn)行攀登，所以就借助于另外的方式。這種小蟲子的身體是柔性的，所以它僅僅通過合理地調(diào)整身體的姿態(tài)就能夠很輕松地翻越這個彎液面。在它調(diào)整身體姿態(tài)的過程中，造成了身體前后兩個部分所承受的液體表面張力的分量大小不一樣，前方的力較大，故而它能夠克服自身的重力而向前運(yùn)動。這說明后一種小動物具備非凡的智慧，它已經(jīng)學(xué)會了合理利用表面張力來達(dá)到自己的目的。

圖6 翻越彎液面的小動物［6］

還有很多小動物也具有神奇地利用表面張力的能力。例如蟬的翅膀是透明而不沾水的，所以在下雨天能夠飛行；鴨子的羽毛能夠分泌排斥水的油脂，如果把這層油脂去掉，它有可能被淹死；納米比亞沙漠中的一種甲殼蟲能夠利用其外殼的特殊微納米結(jié)構(gòu)從霧氣中收集露水［7］；德克薩斯角蜥能夠站在泥塘中，通過其腿部的毛細(xì)管吸收水分而輸送到嘴中［8］。另外，我們都知道，一只螞蟻是很害怕水的。但是當(dāng)發(fā)洪災(zāi)時，我們會經(jīng)?？吹轿浵仌С梢粓F(tuán)，如圖7所示［9］。這是因?yàn)楫?dāng)它們抱成一團(tuán)時，其整體的抵抗水的能力得到大大提高，從而能夠安全地度過洪災(zāi)。

圖7 水中的螞蟻抱成一團(tuán)［9］

不只是動物，自然界中的很多植物也具備超強(qiáng)的排斥液體的能力。為了闡述它們的親疏水能力，這兒先介紹幾個概念。當(dāng)一滴水放在光滑水平面上時，液滴邊緣點(diǎn)處液體與氣體的界面切線與水平線之間的夾角稱為接觸角。如果接觸角小于90°，說明液體是親水的；如果大于90°，則是疏水的；如果大于150°，則是超疏水的。下雨時，荷葉和芋頭葉子表面上的雨滴形成很多晶瑩的水珠，此時這些小液滴在葉子表面的形狀接近于球形，也就是說此時的接觸角接近于180°，所以說荷葉是超疏水的。同時當(dāng)水珠滾落時，會帶走葉子表面的污染物，因此這些植物不但具有超疏水的性能，而且能夠防止灰塵的污染，所以永遠(yuǎn)是清潔的。自古以來，荷花（也叫圣蓮）能夠出淤泥而不染，通常被認(rèn)為是圣潔的植物，因而這種神奇的超疏水現(xiàn)象叫作“自清潔效應(yīng)”或者“蓮花效應(yīng)”（圖8）［10］。植物的葉子具備自清潔功能的原因并不是因?yàn)樗鼈兊娜~子是光滑的，而恰恰相反，這些葉子具有令人吃驚的粗糙度。通過掃描電鏡觀察，這些具備超疏水性能的植物葉子外表面一般都具有精細(xì)而復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，在這些微米量級的結(jié)構(gòu)上又生長著更小的納米量級的管狀蠟質(zhì)。這種微納米多級結(jié)構(gòu)就能夠比一般的單純微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更強(qiáng)的超疏水能力。

圖8 荷葉上面的液滴

關(guān)于表面張力的另外一個有趣的現(xiàn)象是，某些水鳥可以通過表面張力調(diào)控其吸收到口中的毫米量級的液滴（這些液滴里面包含著食物），從而完成其攝食過程［11］。如圖9所示，這種水鳥的喙分為上下兩個部分，由于液滴的重力較大，所以當(dāng)喙張開時，液滴不能夠一步到位地進(jìn)入嘴中。但是它的喙能夠像個鑷子一樣反復(fù)連續(xù)地張開和閉合，從而改變了液滴的形狀和它的接觸角。這樣液滴就能夠從喙的尖端以一種步進(jìn)的棘輪方式進(jìn)入到嘴中。我們也很容易用一個夾有一個液滴的鑷子來演示這個過程。

圖9 水鳥通過毛細(xì)棘輪效應(yīng)進(jìn)行攝食［11］

從上述動植物巧妙利用表面張力的例子中，我們可以看到，大自然中各種神奇的現(xiàn)象層出不窮，直如鬼斧神工、渾然天成，令人嘆為觀止。這是由于大自然經(jīng)過億萬年的演化，經(jīng)歷過自然選擇和優(yōu)勝劣汰，已經(jīng)形成了生物體功能的完善與優(yōu)化，即“自然界按最簡單、最有效的方式演化”。動植物利用表面張力的各種現(xiàn)象充分展現(xiàn)了它們本身奇妙的特性、周密的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。這些動植物新奇的本領(lǐng)也激發(fā)了我們的靈感，促使我們虛心地向大自然學(xué)習(xí)，從而能夠制造出有特殊性質(zhì)的新材料和新產(chǎn)品?，F(xiàn)在，通過自然界進(jìn)行仿生表面的研發(fā)已經(jīng)成為現(xiàn)代仿生學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支。如通過對荷葉的表面微納米結(jié)構(gòu)仿生，可以制作成防水和防油的衣服、不沾雨滴的車窗玻璃、不沾雪的天線、疏水的船用涂料等［12］。通過研究水生小動物的運(yùn)動，可以設(shè)計出微小的船舶。通過研究動物吸水、存水的機(jī)理，可以設(shè)計出“人工皮膚”或者特殊的裝置來保證在干燥的沙漠中旅行時能夠存儲足夠的水分。我們也可以利用表面張力的原理來設(shè)計新型的微流體器件［13－14］，并進(jìn)行藥物的輸運(yùn)。總之，在微納米尺度上利用表面張力來設(shè)計新材料和新器件，已經(jīng)成為當(dāng)今前沿科學(xué)研究的一個熱點(diǎn)。

（2012年10月9日收到）

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Magical Surface Tension

LIU Jian-lin①，GU Han-lin②，GOU Fei-lin③，LAN Di④
①AssociateProfessor，② ③ ④Undergraduate，SchoolofPipeline andCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，ShandongProvince，China

In our daily life，agriculture and industry，surface tension causes a lot of interesting physical phenomena.In this article，the physical mechanism of surface tension，and several magical behaviors induced by surface tension are introduced.These phenomena includes the spherical liquid dew，the liquid film，the needle and small creatures floating on water surface，the raft formed by clustered ants，the lotus effect，and the special feeding mechanism of shorebirds，etc.These surface tension-induced phenomena are beneficial to learn from nature，and provide some inspirations to design new-typed devices in the use of biomimetic technology.

surface tension，energy minimum，size effect，bio-mimics

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.06.008

（編輯：段艷芳）