神奇的表面張力

荷葉為什么出淤泥而不染

我們日常穿戴的衣帽，

表面經過特殊涂層處理后，使水不能浸潤，起到防雨的作用，

就與表面張力有關。

生活中有很多現象，因為常見而很少有人多問個為什么？例如，為什么水黽可以在水面上行走跳躍而不沉下去？為什么清水吹不出泡泡，加入肥皂或洗衣粉就可以吹出球形且不容易破的泡泡？

這些都是與表面張力有關的現象。2021年12月9日，航天員翟志剛、王亞平與葉光富在中國空間站演示的微重力環境下水膜張力實驗以及泡騰片實驗，就涉及表面張力的知識。那什么是表面張力呢？

表面張力指的是液體表面任意兩相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。通俗來講，即水等液體會產生使表面盡可能縮小的力，這個力稱為“表面張力”。

它產生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫作表面層 , 表面層里的分子比液體內部稀疏，分子間的距離比液體內部大一些，分子間的相互作用表現為引力。水的表面被表面張力的強大拉力聚攏在一塊，使得水面看上去像一層薄而又有彈性的“表皮”，托住了小昆蟲，使之能無拘無束地在水面上行走自如，而不下沉。

這種張力使液體總有縮小表面積的傾向，相同體積下，球的外表面積最小，因此在沒有外力的情況下（如失重狀態）液滴往往呈球形。

表面張力在生活中的應用很多。在與表面張力有關的各種現象中，接觸角扮演著極為重要的角色。接觸角即在氣、液、固三相交點處所作的氣—液界面的切線與固—液交界線之間的夾角 θ，若θ<90°，則固體是親液的，即液體可潤濕固體；若 θ>90°，則固體是疏水的，即液體不潤濕固體，容易在表面上移動。

水珠能在荷葉上自由滾動，這是因為水在葉面上的接觸角介于 130 ～ 160 度之間，不易潤濕表面。而荷葉能“自潔”，其原理是荷葉表面的納米纖毛結構使其具有與水的超高接觸角，有很強的疏水性，水珠在滾動過程中即可將灰塵帶走，從而達到潔凈效果。

科學家了解到這種自然界神奇功能后，開發出可以運用在建筑物外墻、汽車烤漆、衛浴設備瓷釉上的涂層，這些涂層材料可以產生自潔的功效，真正達到“不沾”。我們日常穿戴的衣帽，表面經過特殊涂層處理后，使水不能浸潤，起到防雨的作用，也是應用了這一原理。

表面張力的大小與液體性質及液面外相鄰物質的性質有關，還與溫度以及液面中所含的雜質有關。一般情況下，溫度越高，表面張力越小。而雜質也會明顯改變液體的表面張力 , 比如潔凈的水有很大的表面張力 , 而沾有肥皂液的水表面張力就比較小 , 這就是為什么清水吹不出泡泡，而在清水中加入肥皂或洗衣粉就可以吹出泡泡的原因。

來源: 《科學大觀園》科學課堂欄目