胖子表面张力大？瘦子表面张力小？

一场酣畅淋漓的大雨之后，

荷塘又恢复了往日的平静。

水滴落在荷叶上，

享受午后的阳光。

一阵风吹过，

荷叶微微抖动，

水滴快乐地在树叶上滚动...

看似和谐的画面背后，

这是几亿年来分子间的宿怨，

也是永远无法化解的壁垒！

所有这些，

一切都始于一个熟悉的名词，

表面张力。

第一部分:强迫，而不是简单的迎合。

熟悉物理的朋友一定很熟悉身边的力:重力，弹性，支撑力，库仑力...每次提到一个力的名字，大部分人脑海里都能浮现出一个示意图，你推我挤，你在两个相互作用的物体之间拉拉扯扯。

图1重力和支撑力示意图

这种理解虽然直观，但缺乏更深层次的视角，没有办法真正理解什么是表面张力那我该怎么办我们来看看力对应的能量以重力为例你可能听说过引力势能，也就是地球附近的物体因为处于一定高度而包含的能量更直观地说，如果把地面作为势能的零点，物体在重力作用下落到地面释放的能量就是重力势能

图2重力势能对比

如图2所示，如果边肖从相对较低的某某峰和相对较高的某某峰推下同一块石头，哪个释放的引力势能大显然是从更高的某某峰开始变大的那么，大多少

如果我们忽略重力随高度的变化，也就是我们认为石头的重力是一个常数G，那么答案就是:

其中D1是两个峰之间的高度差。稍微变形一下，我们就能得到

这说明引力是单位高度的引力势能的变化！同样，弹簧弹性是单位伸长长度弹性势能的变化，分子间力是单位分子间距离长度系统势能的变化...本来任何势能对应的力都可以这样理解。

此时，边肖优雅地问道:那么，什么是表面张力。

读者异口同声地回答:表面每单位面积带来的表面能变化！

鼓掌之后我问:什么是表面能表面张力是什么方向的

读者沉默了，期待着边肖...

第二部分:紧张只是吹泡泡。

其实上面提到的问题，从维度上就可以直观的看出来我们都接触过做功的概念功的单位和能量一样，都是焦耳J，而功是作用在物体上的某个力和物体在该力的方向上移动的距离的乘积，即1j = 1n m，那么，力的单位除了N还可以写成J/m，即每移动1m所引起的能量的变化

但是有一个物理量量纲J/m2，代表单位面积的能量，这个物理量就是比表面能比表面能是一个涉及分子间相互作用的概念，我们需要从微观的角度去理解

图3氮和水分子之间的势能图

微观世界有各种各样的分子，比如上图所示的氮气和水分子分子组成的系统的势能与分子间的距离有关这种关系就像两个人的关系一样近也不好，远也不好如果距离太近，两者之间没有自我空间，情绪会不稳定，所以会产生相互排斥的效果，如果距离太远，大家都太孤独，就会互相想念，互相吸引当彼此之间的距离恰到好处时，对应能量的最低点，相对稳定

图4水—空气界面示意图

可是，这种关系的稳定性与双方的分子种类有关如图4所示，对于水—空气界面，表面水分子周围存在多种分子除了其他水分子之外，空气中还有氧，氮和其他分子

图5内部水和地表水的对比

俗话说物以类聚，同类的相似分子越多，往往关系越融洽，而不同分子之间的关系则相对疏远物理上，相似分子间势能曲线的最低点更低所以，对于一个存在于内部的水分子来说，如果到了表面，就需要断开与同类分子的一些关系，用相对陌生的空气分子来代替，这显然是不情愿的！这体现在能量的增加上那么，水分子是在什么情况下从内部来到表面的呢吹泡泡的时候到了

图6吹泡过程示意图

把戒指浸在肥皂水里肥皂水的体积基本不变当我们吹入空气使气泡的表面积变大时，自然气泡的厚度就会变薄进一步的解释是，更多的水分子会从内部来到表面，这个过程是内部分子所不愿意的，所以会带来能量的增加那么，表面单位面积的能量增量是多少呢这个值就是比表面能

图7表面积的增加伴伴随着肥皂泡的变薄。

我们曾经提到过，比表面能的单位是J/m2，从力的角度来理解这个物理量，对于处理一些问题更直观我们经常把比表面能称为表面张力而J/m2 = N/m，不是力的单位N，所以表面张力代表的是单位长度作用在表面上的力

其中，分母中的2来自于两侧曲面的外观。

那么表面张力的方向是什么呢我们还类比重力，弹性和其他力回过头来，我们不难发现，如果把表面张力理解为单位面积变形引起的能量增加，那么对应的力应该是指向能量减少的方向对于表面张力，自然是表面沿着切线收缩的方向

图9表面张力的方向

第三部分:对球形，张力和重力的追求

在这部分开始之前，先问一个问题:失重状态下，液滴会呈现什么形状。

稍微回忆一下，看过太空授课的读者应该都会想到悬浮在太空中的球形水滴。

没错，失重环境下的液滴是球形的，因为在一定体积内，球体的表面积最小，所以球形液滴的总表面能最低那么，在重力的情况下呢

图11表面分子倾向于进入内部。

在液滴表面，每个分子都会受到沿切线方向的表面张力，相当于每个分子都在拉动周围分子的作用B周围表面分子的合力指向内部，有进入内部的趋势这种张力的作用使液滴尽可能接近球形，也就是说，它们具有尽可能小的表面积可是，重力扮演着另一个角色

图12重力的影响

引力的作用是希望每个水分子越低越好显然，近似球形并不是重力势能最低的形状所以表面张力和重力是有竞争的

图13重力和张力之间的竞争

不难想象，如果张力很强，液滴会保持近似球形而不塌陷如果张力太弱，无法与重力抗衡，液滴就会破裂回到吹泡泡的问题，我们通常用肥皂水而不是纯水来蘸的原因是纯水的表面张力太小，无法和液膜的重力抗衡

图14太空中的水膜

再者，它涉及到一个问题:不同物质的表面张力有什么关系定性的话，可以引入一个概念叫做亲和力，它反映了物质在界面两侧的亲和力如果两边的物质都很友好，那么留在里面和留在表面其实差别不大毕竟大家相处，所以表面张力比较小反之，如果双方的物质关系很疏远，表面张力就会很大而这就是渗透的根源

第4部分:分子间的渗透，爱与恨

渗透现象，这个词可能大家都不熟悉，但相应的物理现象却很常见比如下图所示的防水衣和公交车车窗上的水滴，就是不渗透和渗透的代表性场景

图15生活中的渗透和不渗透现象

仔细看上面的场景，我们发现不是只有两种物质，而是三种——一种作为底物的固体，一种环境中的液体和气体因此，我们所面临的渗透问题所涉及的界面不是一种，而是三种成对组成的界面

图16物质间关系示意图

自然，表面张力会存在于任何界面上，其大小与两个物种的相对亲和力有关，沿着界面的方向指向使界面收缩的方向最终的状态需要平衡这三个力的分量

图17三个界面的界面张力竞争

对于浸润的情况，液固关系很好，界面处的表面张力在极端情况下可以认为是可以忽略的这样红蓝力的水平分量需要平衡，液滴的形状趋于扁平一般将气液界面张力与液固界面张力之间的夹角称为接触角，有明显润湿现象的亲水表面接触角很小

图18渗透的显微示意图

相反，对于疏水表面，固液界面的表面张力可能大到接触角只能达到钝角甚至接近180°，称为不润湿或不润湿这种表面因其高疏水性而被称为超疏水表面

图19未润湿的微观示意图

至此，有些读者可能已经猜到，荷叶表面是一种天然的超疏水物质，所以荷叶表面的水是近球形的。

图20自然界的超疏水现象

不仅在自然界，在实验室中，科学家们还制备了超疏水或超亲水表面，效果更加显著比如极端的不湿润和湿润现象如下图所示

夜幕降临，

一阵晚风吹来，

荷叶剧烈地抖动着，

几滴水滚落在池塘里，

有涟漪。

一只水黾滑过水面，

只有几次，

消失在白色的月光中。

它哪里知道，

举起身体，

神奇的表面张力...

参考资料:

朱之昂，阮物理化学第六版科学出版社

超疏水/超亲水表面改性—用于各种塑料

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