表面張力是什么？表面張力沿著什么方向？

表面張力。

· Part 1：力，不是簡單的拉拉扯扯 ·

熟悉物理的朋友們一定很熟悉身邊的力：重力、彈力、支持力、庫侖力……每提到一個(gè)力的名字，腦海中大都可以浮現(xiàn)出一幅示意圖，其中相互作用的兩個(gè)物體之間你推我搡、你拉我扯。

圖1 重力與支持力示意

這樣的理解雖然直觀，但是缺少了幾分更加深入的視角，也沒辦法真正理解什么是表面張力。那怎么辦呢？我們來看看與力對(duì)應(yīng)的能量（特指勢(shì)能）。以重力為例，大家可能聽說過重力勢(shì)能，即某一地球附近的物體由于處于一定的高度而蘊(yùn)含的能量。更加直觀地講，如果以地面為勢(shì)能零點(diǎn)，則物體在重力的作用下下落到地面所能釋放的能量就是重力勢(shì)能。

圖2 重力勢(shì)能的對(duì)比

如圖2所示，如果小編從相對(duì)低一些的某某峰和高一些的某某某某峰推下一塊同樣的石頭，哪個(gè)釋放的重力勢(shì)能大呢？很顯然是從高一些的某某某某峰更大。那么，大了多少呢？

如果忽略重力隨高度的變化，即認(rèn)為石頭的重力是一個(gè)常量G，那么答案是：

其中dL為兩峰之間的高度差。稍加變形，我們就得到

這說明，重力是每升高單位高度帶來的重力勢(shì)能的變化！類似的，彈簧彈力是每拉長單位長度所帶來的彈性勢(shì)能的變化，分子間作用力是分子間距離每變化單位長度所帶來的體系勢(shì)能的變化……原來，與任意的勢(shì)能對(duì)應(yīng)的力都可以這樣理解。

此時(shí)，小編優(yōu)雅地問道：那么，表面張力是什么？

讀者齊聲答道：表面每增長單位面積而帶來的表面能的變化！

小編鼓掌后追問：表面能是什么？表面張力沿著什么方向？

讀者沉默，向小編投來期待的目光……

·Part 2：張力，不過是吹個(gè)泡泡 ·

其實(shí)，上面所談及的問題可以很直觀地從量綱看出來。我們都接觸過做功的概念，功的單位和能量一樣，都是焦耳J。而功是物體受到的某個(gè)力（單位為N）與物體在力的方向上移動(dòng)的距離（單位為m）的乘積，即：1 J = 1 N·m。那么，力的單位除了N還可以寫作 J/m，即每移動(dòng)1m所引起的能量的變化。

然而有一種物理量的量綱是J/m2，它代表著每單位面積蘊(yùn)含的能量，這個(gè)物理量便是比表面能。比表面能是一個(gè)涉及分子間作用的概念，我們需要從微觀去認(rèn)識(shí)。

圖3 氮?dú)馀c水分子間作用勢(shì)能的圖示

在微觀世界存在著多種多樣的分子，比如上圖所示的氮?dú)馀c水分子。分子間組成的體系的勢(shì)能與分子間的距離有關(guān)。這種關(guān)系正如兩個(gè)人之間的關(guān)系，遠(yuǎn)了近了都不好。如果距離太近，彼此之間沒了自我空間，情緒會(huì)不穩(wěn)定，因此會(huì)產(chǎn)生相互排斥的作用；如果距離太遠(yuǎn)，每個(gè)人都太孤獨(dú)，便會(huì)相互思念，彼此吸引。當(dāng)彼此的距離恰到好處，便對(duì)應(yīng)著能量的最低點(diǎn)，較為穩(wěn)定。

圖4 水-空氣界面示意

然而，這種關(guān)系的穩(wěn)定程度是與雙方分子的種類有關(guān)的。如圖4所示，對(duì)于水-空氣的界面而言，處于表面的水分子周圍的分子種類較為豐富，除了其他水分子，還有空氣中的氧氣、氮?dú)?/strong>等分子。

不難想象，如果張力很強(qiáng)，液滴就會(huì)維持住近似球形的形狀而不坍塌。如果張力很弱，無法與重力抗衡，液滴就會(huì)破碎?；氐酱蹬菖莸膯栴}，之所以一般要蘸肥皂水而非純水，就是因?yàn)榧兯?strong>表面張力較小，不足以與液膜所受的重力抗衡。然而在太空中，重力不再作用，水膜便可以穩(wěn)定存在了！

進(jìn)一步地，就涉及到一個(gè)問題：不同物質(zhì)的表面張力的大小與什么有關(guān)呢？在定性上，我們可以引入稱為親和度的概念，它反映了界面兩側(cè)物質(zhì)親疏關(guān)系。如果兩側(cè)的物質(zhì)很親和，那么待在內(nèi)部和表面其實(shí)區(qū)別不大，畢竟大家都合得來，因此表面張力相對(duì)較小。反之，如果兩側(cè)的物質(zhì)關(guān)系很疏遠(yuǎn)，表面張力會(huì)很大。而這，正是浸潤現(xiàn)象產(chǎn)生的根源。

· Part 4：浸潤，分子間的愛恨情仇 ·

浸潤現(xiàn)象，這個(gè)詞可能大家比較陌生，但是對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象非常常見。比如下圖所示的防水衣服以及公交車車窗上的水滴就是非浸潤和浸潤代表性的場景。

圖15 生活中的浸潤與非浸潤現(xiàn)象

仔細(xì)觀察上面的場景，我們發(fā)現(xiàn)并不是只存在兩種物質(zhì)（準(zhǔn)確的說應(yīng)是物相，因?yàn)榭諝庥袕?fù)雜的成分），而是三種——一種作為基底的固體、一種液體和環(huán)境中的氣體。因此，我們面對(duì)的浸潤問題中所涉及到的界面也不是一種，而是兩兩之間組成的三種。

圖16 物質(zhì)間關(guān)系示意

很自然的，表面張力會(huì)存在于任何一個(gè)界面上，其大小與兩側(cè)物種的相對(duì)親和關(guān)系有關(guān)，而方向沿著界面指向使得該界面收縮的方向。而最終的狀態(tài)需要讓這三個(gè)力的分量達(dá)到平衡。

圖17 三個(gè)界面交界處張力的競爭

對(duì)于浸潤的情況，液體與固體物質(zhì)間的關(guān)系很好，最為極端地可以認(rèn)為該界面處的表面張力小到可以忽略。這樣一來，需要紅色和藍(lán)色的力的水平分量達(dá)到平衡，液滴的形狀趨于扁平。一般將氣液界面處張力與液固界面的夾角稱為接觸角，對(duì)于浸潤現(xiàn)象顯著的親水表面接觸角很小。

圖18 浸潤微觀示意

反之，對(duì)于疏水表面，固液界面處的表面張力可能非常大，以至于接觸角只有達(dá)到鈍角甚至趨近于180°才能達(dá)到平衡，此時(shí)的現(xiàn)象稱為非浸潤或者不能浸潤。而這種表面由于較高的疏水性被稱為超疏水表面。

圖19 非浸潤微觀示意

講到這里，部分讀者可能已經(jīng)猜到了，荷葉的表面正是一種天然的超疏水物質(zhì)，因此水在荷葉的表面呈現(xiàn)接近球形。

不僅是自然界中，科學(xué)家們?cè)?strong>實(shí)驗(yàn)室中也制備出效果更加顯著的超疏水或超親水表面，比如下圖中呈現(xiàn)出極端的非浸潤與浸潤現(xiàn)象。

圖21 人工的超疏水/超親水表面 | 圖片源于【2】

審核編輯：劉清