一場酣暢的大雨過後，荷塘恢複了往日的平靜。

一顆顆水珠躺在荷葉上，享受著午後的陽光。

一陣風吹來，荷葉微微搖動，水珠快活地在葉麵上打滾……

看似和諧的畫麵背後，竟是分子間億萬年的積怨，亦是永世難以消解的隔閡！

這一切，都要從一個耳熟能詳的名詞說起，表麵張力。

·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……每提到一個力的名字，腦海中大都可以浮現出一幅示意圖，其中相互作用的兩個物體之間你推我搡、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麽是表麵張力。那怎麽辦呢？粉色视频网站來看看與力對應的能量（特指勢能）。以重力為例，大家可能聽說過重力勢能，即某一地球附近的物體由於處於一定的高度而蘊含的能量。更加直觀地講，如果以地麵為勢能零點，則物體在重力的作用下下落到地麵所能釋放的能量就是重力勢能。

圖2重力勢能的對比

如圖2所示，如果小編從相對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，哪個釋放的重力勢能大呢？很顯然是從高一些的某某某某峰更大。那麽，大了多少呢？

如果忽略重力隨高度的變化，即認為石頭的重力是一個常量G，那麽答案是：

其中dL為兩峰之間的高度差。稍加變形，粉色视频网站就得到

這說明，重力是每升高單位高度帶來的重力勢能的變化！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係勢能的變化……原來，與任意的勢能對應的力都可以這樣理解。

此時，小編優雅地問道：那麽，表麵張力是什麽？

讀者齊聲答道：表麵每增長單位麵積而帶來的表麵能的變化！

小編鼓掌後追問：表麵能是什麽？表麵張力沿著什麽方向？

讀者沉默，向小編投來期待的目光……

·Part 2：張力，不過是吹個泡泡·

其實，上麵所談及的問題可以很直觀地從量綱看出來。粉色视频网站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力（單位為N）與物體在力的方向上移動的距離（單位為m）的乘積，即：1 J=1 N·m。那麽，力的單位除了N還可以寫作J/m，即每移動1m所引起的能量的變化。

然而有一種物理量的量綱是J/m，它代表著每單位麵積蘊含的能量，這個物理量便是比表麵能。比表麵能是一個涉及分子間作用的概念，粉色视频网站需要從微觀去認識。

圖3氮氣與水分子間作用勢能的圖示

在微觀世界存在著多種多樣的分子，比如上圖所示的氮氣與水分子。分子間組成的體係的勢能與分子間的距離有關。這種關係正如兩個人之間的關係，遠了近了都不好。如果距離太近，彼此之間沒了自我空間，情緒會不穩定，因此會產生相互排斥的作用；如果距離太遠，每個人都太孤獨，便會相互思念，彼此吸引。當彼此的距離恰到好處，便對應著能量的最低點，較為穩定。

圖4水-空氣界麵示意

然而，這種關係的穩定程度是與雙方分子的種類有關的。如圖4所示，對於水-空氣的界麵而言，處於表麵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、氮氣等分子。

圖5內部與表麵水對比

俗話說“物以類聚，人以群分”，更加相似的同類分子間往往關係更為融洽，而不同種分子間的關係則相對疏遠。在物理上表現為同類分子間的勢能曲線最低點更低。因此，對於一個存在於內部的水分子，如果來到表麵，需要斷開與同類分子的部分關係，而代之以與比較“生疏”的空氣分子間的作用，顯然是不情願的！這體現為能量的升高。那麽，什麽情況下水分子要從內部來到表麵呢？正是吹泡泡的時候。

圖6吹泡泡過程示意

用圓環蘸一些肥皂水，肥皂水的體積是基本恒定的。當粉色视频网站吹入空氣使泡泡的表麵積變得更大，自然泡泡的厚度會變薄。進一步解釋就是，一定會有更多的水分子從內部來到表麵，而這個過程是內部分子所不情願的，因此會帶來能量的升高。那麽，表麵每擴展單位的麵積帶來的能量升高是多少？這個數值正是比表麵能。

圖7表麵的增大伴隨肥皂泡變薄

粉色视频网站曾經提到比表麵能的單位是J/m，而將這個物理量從力的角度去理解對於處理一些問題更加直觀，粉色视频网站常常將比表麵能稱為表麵張力。而J/m=N/m，並不是力的單位N，因此表麵張力代表的是作用在單位長度的表麵上的力。在下圖所示的實驗中，肥皂水膜在力F的牽拉下長大，表麵張力便是

其中，分母上的2來自於正反兩側都有表麵的產生。

圖8表麵張力實驗示意圖|圖片源於【1】

那麽表麵張力的方向是什麽呢？粉色视频网站同樣類比重力、彈力等力。簡單回顧不難發現，如果將表麵張力理解為單位麵積形變引起的能量升高，那麽對應的力應該指向使得能量降低的方向。對於表麵張力，自然就是沿切線使得表麵收縮的方向。

圖9表麵張力的方向示意

·Part 3：追求球形，張力與重力之爭·

在這一部分開始前，首先提出一個問題：在失重條件下，液滴會呈現什麽形狀？

稍加回憶，看過太空授課的讀者應該都想起了那顆懸浮在太空中的球形水滴。

圖10太空授課畫麵截屏

沒錯，失重環境下的液滴正是呈現球形，因為在一定的體積下，球體的表麵積最小，因此球形液滴的總表麵能最低。那麽，在有重力的情況下呢？

圖11表麵分子有進入內部的趨勢

在液滴的表麵，每個分子都會受到沿切線的表麵張力，效果上相當於每個分子（如A和C）都在拉周圍的分子（如B）。B受到的周圍表麵分子的力的合力指向內部，有進入內部的趨勢。這種張力的作用使得液滴盡可能維持著接近球形的狀態，即擁有盡可能小的表麵積。然而，重力起到另一種作用。

圖12重力的作用

重力的作用希望每個水分子都處在盡可能低的地方，顯然呈現近似球形的形狀並不是重力勢能最低的情況。因此，表麵張力與重力之間便存在著競爭。

圖13重力與張力的競爭

不難想象，如果張力很強，液滴就會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，液滴就會破碎。回到吹泡泡的問題，之所以一般要蘸肥皂水而非純水，就是因為純水的表麵張力較小，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，水膜便可以穩定存在了！

圖14太空中的水膜

進一步地，就涉及到一個問題：不同物質的表麵張力的大小與什麽有關呢？在定性上，粉色视频网站可以引入稱為親和度的概念，它反映了界麵兩側物質親疏關係。如果兩側的物質很親和，那麽待在內部和表麵其實區別不大，畢竟大家都合得來，因此表麵張力相對較小。反之，如果兩側的物質關係很疏遠，表麵張力會很大。而這，正是浸潤現象產生的根源。

·Part 4：浸潤，分子間的愛恨情仇·

浸潤現象，這個詞可能大家比較陌生，但是對應的物理現象非常常見。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象

仔細觀察上麵的場景，粉色视频网站發現並不是隻存在兩種物質（準確的說應是物相，因為空氣有複雜的成分），而是三種——一種作為基底的固體、一種液體和環境中的氣體。因此，粉色视频网站麵對的浸潤問題中所涉及到的界麵也不是一種，而是兩兩之間組成的三種。

圖16物質間關係示意

很自然的，表麵張力會存在於任何一個界麵上，其大小與兩側物種的相對親和關係有關，而方向沿著界麵指向使得該界麵收縮的方向。而最終的狀態需要讓這三個力的分量達到平衡。

圖17三個界麵交界處張力的競爭

對於浸潤的情況，液體與固體物質間的關係很好，最為極端地可以認為該界麵處的表麵張力小到可以忽略。這樣一來，需要紅色和藍色的力的水平分量達到平衡，液滴的形狀趨於扁平。一般將氣液界麵處張力與液固界麵的夾角稱為接觸角，對於浸潤現象顯著的親水表麵接觸角很小。

圖18浸潤微觀示意

反之，對於疏水表麵，固液界麵處的表麵張力可能非常大，以至於接觸角隻有達到鈍角甚至趨近於180°才能達到平衡，此時的現象稱為非浸潤或者不能浸潤。而這種表麵由於較高的疏水性被稱為超疏水表麵。

圖19非浸潤微觀示意

講到這裏，部分讀者可能已經猜到了，荷葉的表麵正是一種天然的超疏水物質，因此水在荷葉的表麵呈現接近球形。

圖20自然界中的超疏水現象

不僅是自然界中，科學家們在實驗室中也製備出效果更加顯著的超疏水或超親水表麵，比如下圖中呈現出極端的非浸潤與浸潤現象。

圖片

圖21人工的超疏水/超親水表麵|圖片源於【2】

//

夜幕降臨，

一陣晚風吹過，

荷葉猛地搖動，

幾顆水珠滾落在池塘中，

泛起道道波紋。

一隻水黽在水麵上劃過，

隻竄了幾竄，

便消失在那片泛白的月光裏。

它哪裏知道，

托起自己身軀的，

便是神奇的表麵張力……

參考資料：

【1】朱誌昂,阮文娟.物理化學.第6版[M].科學出版社.

【2】超疏水/超親水表麵改性-用於各種塑料