什么是表面张力 | 混乱博物馆

宏观现象有着各种各样的微观机制，液体的表面张力就是这样。

在这起混乱博物馆里，我们首先会简单了解这一著名现象的微观机制，观察这种现象在其它尺度上对一些生命活动的影响。

接下来，我们会看到生物们为了摆脱表面张力给自己带来的困扰，进化出了怎样的精巧结构——疏水性，这一长期被我们忽略的特殊材料性质，正在给我们带来意外的收获。

－文字稿－

都知道滴溜溜的露珠是表面张力凝聚起来的水，那么，什么是表面张力？

狭义地说，以水为例，每个水分子都以种种作用力与周围的水分子相互吸引，这使水凝聚起来，成为液体；但是水面上的水分子没有完整的周围，它们只能和水面下的水分子强烈吸引，而与空气吸引很弱，结果在水与空气的交界上形成了一股指向内部的合力——就是表面张力。

表面张力指向内部，总是倾向于收缩液体，更准确地说，是减小液体的表面积，荷叶上的露珠因此总是聚成球形。不同液体分子间的作用力强度不同，所以表面张力也不同——水分子之间有强大的氢键，所以表面张力格外强，理想状态下，纯水在空气中的表面比钢材还耐拉，只因日常的水含有大量杂质，才会一跌就破。

尽管如此，水的表面张力仍然能给动物们带来很多麻烦——我们从游泳池里出来，体表会沾上大约体重1%的水滴，几乎感觉不到它们存在，而对于草丛中的小昆虫来说，一旦全身陷入水中，就要冲破尼龙绳网般的表面张力才能脱身——凭它们微小的肌肉，这几乎不可能。

于是，昆虫为了躲避这种困厄，大多进化出一种独特的结构：它们的外骨骼总是非常光滑，覆盖了薄薄的蜡质，有些还布满了微小的绒毛和凹坑，有效增大自身表面积，使水滴不能将它们浸润，也就不能用表面张力将它们拖入水中了。

还有一部分昆虫则专门利用水在空气中的表面张力。“凌波微步”这个成语说的就是水黾能踩着水面上的那层分子迅速移动；豉甲更加敏捷，它们凭着腹部的绒毛和蜡质能像汽艇一样在水面高速游动，二者的食物都是水面上那些被表面张力困死的昆虫尸体。龙虱索性仗着无法浸润的体表钻到水面以下，那层空气薄膜就成了它们的氧气罐，维持它们在水下呼吸。

在这里，我们就将这种不能被水浸润的表面特性，叫做疏水性，它实际上反映了液体、气体、固体三者之间的关系：液体滴在固体表面，周围充满气体，那么三者相接处的夹角就由它们两两之间的界面张力决定，其中，固体和液体之间的张力越大，这个夹角就越大——这反映了材料自身的性质，油脂、蜡质总是不能与水吸附，就是因为这些物质与水的分子间作用力很弱，界面张力很大。

而那些凹坑和绒毛的结构就比较粗暴：它们直接在材料表面困住了大量的空气，将一部分固体液体界面转化成液体气体界面，极大增加了那个夹角，使得水滴无法再坍成薄膜，会立刻滚成圆滚滚的露珠，很容易滚落下来，荷叶就用这种方法出淤泥而不染，我们又模仿这些生物材料，研制出了许多更加强力的超疏水材料和涂料，在工业和民用中都有广阔的前景。

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