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在我們品嘗各式美味湯肴時，你可能會發現湯里漂浮的油滴大都是圓形的。那么，為什么(me)生活中見到的小(xiao)油滴(di)在水(shui)中呈現的是圓形(xing)，而不是四(si)邊形(xing)、五邊形(xing)抑或(huo)是多邊形(xing)？在水(shui)中有沒有可能呈現出(chu)多邊形(xing)的油滴(di)呢？且聽(ting)我們(men)一一道(dao)來。

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油滴在水中形成圓形的原因——表面張力

油滴(di)之(zhi)所以能漂浮(fu)在水的(de)表面，首先是因為油和水不相(xiang)(xiang)溶(rong)。如果是相(xiang)(xiang)溶(rong)的(de)兩種物質(zhi)，那就(jiu)不存在“形成特定(ding)的(de)形狀”這一說(shuo)法了(le)。

那么，既然(ran)不(bu)相容，就必定存在一個相交的表面，如下(xia)圖中的油水(shui)分離表面。

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在表(biao)面(mian)化(hua)學中，物(wu)質(zhi)的兩相之間密切(qie)接觸的過渡區稱(cheng)(cheng)為界(jie)面(mian)，如氣(qi)-固、氣(qi)-液、固-固、固-液及液-液界(jie)面(mian)。我們習慣將其中的氣(qi)-液和(he)氣(qi)-固界(jie)面(mian)稱(cheng)(cheng)為表(biao)面(mian)，其余稱(cheng)(cheng)為界(jie)面(mian)。二者并無嚴格區分，常常通用。

那么，對于任何一個(ge)表面，處(chu)(chu)在(zai)物質表面層（也稱“表面相(xiang)”）的分(fen)(fen)(fen)子，與內部分(fen)(fen)(fen)子在(zai)受力(li)情況(kuang)、能(neng)量狀態和(he)所處(chu)(chu)的環(huan)境(jing)等(deng)方面均不(bu)相(xiang)同。我們以純液體表面為例進(jin)行分(fen)(fen)(fen)析。

上方(fang)為氣相，下方(fang)為液相，圖中分(fen)別用B和A表(biao)示(shi)表(biao)面分(fen)子(zi)和液體(ti)內部分(fen)子(zi)。

液體內(nei)部(bu)分(fen)子A與(yu)周圍(wei)分(fen)子的(de)(de)作(zuo)用(yong)力(li)(li)是對(dui)稱的(de)(de)，相互抵消，合力(li)(li)為(wei)零(ling)，因(yin)此(ci)A在液體內(nei)部(bu)移動時不需要做功。而對(dui)于(yu)表(biao)(biao)面(mian)分(fen)子B，與(yu)表(biao)(biao)面(mian)下(xia)的(de)(de)水分(fen)子相互的(de)(de)作(zuo)用(yong)力(li)(li)強烈，與(yu)表(biao)(biao)面(mian)上的(de)(de)空氣作(zuo)用(yong)力(li)(li)則較弱。由于(yu)上下(xia)的(de)(de)作(zuo)用(yong)力(li)(li)大小不一(yi)致，因(yin)此(ci)B處(chu)于(yu)一(yi)個(ge)不對(dui)稱的(de)(de)力(li)(li)場中，形成了(le)一(yi)股指向內(nei)部(bu)的(de)(de)合力(li)(li)，此(ci)力(li)(li)力(li)(li)圖將(jiang)其拉回液體的(de)(de)內(nei)部(bu)。

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當有(you)內(nei)部(bu)分(fen)子A想從液相移至表面(mian)層(ceng)成(cheng)為分(fen)子B時(shi)，那就必須克服這股合(he)力對(dui)分(fen)子的(de)影(ying)響做(zuo)功，這時(shi)分(fen)子能量增加，意(yi)味著B比(bi)A具(ju)有(you)更多的(de)能量。

而(er)高能量(liang)的(de)(de)系統總是有趨(qu)于更穩(wen)定(ding)(ding)狀態的(de)(de)趨(qu)勢，因此B就會(hui)自(zi)動(dong)收縮其表(biao)(biao)面積以達到(dao)穩(wen)定(ding)(ding)。這時，表(biao)(biao)面上存在的(de)(de)使其表(biao)(biao)面積自(zi)動(dong)收縮的(de)(de)力(li)(li)，就被人(ren)們定(ding)(ding)義為(wei)表(biao)(biao)面張力(li)(li)。

表面(mian)張力垂直于邊界線且指向表面(mian)內部，且總是作用在表面(mian)上，如果表面(mian)是彎曲(qu)的，則表面(mian)張力就是沿著曲(qu)面(mian)的切線方(fang)向。

由上述我們可以知道，在表面的(de)(de)邊界上，表面張力使物質(zhi)的(de)(de)表面積趨(qu)向(xiang)(xiang)于收縮變(bian)小的(de)(de)方向(xiang)(xiang)發展。而(er)在體(ti)積一定的(de)(de)情況下，球體(ti)是表面積最小的(de)(de)幾何體(ti)，所以上述的(de)(de)小油滴本身是最想變(bian)成球體(ti)的(de)(de)。

但(dan)是，由于我(wo)們所看到的(de)(de)油滴在水(shui)面上，變化(hua)空間(jian)為二維(wei)而不是三維(wei)，在面積一定的(de)(de)條件下，圓形是邊長最小的(de)(de)幾何圖形，因此油滴在水(shui)中呈現圓形。

確(que)定地說，只要有(you)表面存(cun)在(zai)，就(jiu)會有(you)表面張力。除(chu)了油滴在(zai)水(shui)中(zhong)成(cheng)圓形(xing)外，生活中(zhong)其實還有(you)許多(duo)現象(xiang)都是表面張力形(xing)成(cheng)的。

生活中的表面張力

不(bu)僅是液(ye)液(ye)之間，表面張力(li)存在(zai)于生活的每一處——清(qing)晨凝聚在(zai)葉片上的露珠、緩緩落在(zai)水(shui)面的液(ye)滴、高于杯(bei)面卻(que)沒溢出的水(shui)、在(zai)水(shui)面上滑(hua)行奔(ben)跑(pao)的水(shui)黽等。

常見的固-液(ye)之間的生活現(xian)象(xiang)都是在表面(mian)張力的作(zuo)用下形成的。

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在液體與氣體接(jie)觸的表(biao)面層，表(biao)面張(zhang)力也(ye)會出現表(biao)面收(shou)縮的趨勢。

用牙膏(gao)(gao)刷牙時(shi)，會(hui)(hui)吐出(chu)些牙膏(gao)(gao)白(bai)沫，而牙膏(gao)(gao)白(bai)沫一旦落在水面上(shang)，便(bian)會(hui)(hui)立即向(xiang)四(si)周(zhou)散開，可見水的表面張力比牙膏(gao)(gao)液的表面張力大(da)。

我們就是利用(yong)這(zhe)個(ge)道理來幫助清潔口腔的(de)。刷(shua)(shua)牙(ya)前，先用(yong)清水漱(shu)(shu)漱(shu)(shu)口，再用(yong)牙(ya)膏(gao)刷(shua)(shua)牙(ya)，這(zhe)時會使得牙(ya)膏(gao)液(ye)在水的(de)表面張力作用(yong)下充斥整(zheng)個(ge)口腔，污物便更容易隨(sui)著牙(ya)膏(gao)液(ye)和水被清洗(xi)干(gan)凈(jing)。

同樣(yang)，肥皂(zao)、洗滌劑及洗衣液(ye)等(deng)，也是通過表面張(zhang)力的原理來去除污垢、清潔衣物的。

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在工業(ye)(ye)(ye)上(shang)，用(yong)于測(ce)定表(biao)面張(zhang)力(li)(li)的表(biao)面張(zhang)力(li)(li)儀(yi)(yi)最(zui)常(chang)見的應用(yong)，就在清洗劑方面，用(yong)于剖析外表(biao)面活性(xing)劑的吸收速(su)度、性(xing)質，研究適(shi)宜的濃度等(deng)。表(biao)面張(zhang)力(li)(li)儀(yi)(yi)同樣能在醫(yi)藥、農業(ye)(ye)(ye)、電力(li)(li)、石油(you)和化妝品等(deng)十多(duo)個重要行業(ye)(ye)(ye)中有所應用(yong)。

當我們(men)結合實(shi)際現象、了解(jie)到背(bei)后的科學原理后，往往就會思考能否控制表面張力，打破這種平衡，從而更好地服務我們(men)，滿足我們(men)的需(xu)求(qiu)。

比如(ru)，將(jiang)圓形的油滴通(tong)過一些(xie)方法變成我們想看到的多(duo)邊形油滴！雖然這聽起來(lai)不可(ke)思(si)議，但是(shi)科學(xue)家們已經在實驗(yan)室(shi)內做到了！

方形油滴在實驗室內出現了

芬蘭阿爾托大學（Aalto University）的Jaakko Timonen教授的課題組在9月15日的《科學進(jin)展》（Science Advances）上發表了關于這一過程(cheng)的新研(yan)究(jiu)。

他說：“平衡態的(de)東西都太無聊(liao)了。把系統推離(li)平衡態，去看看非平衡的(de)結構能不(bu)能被控制、能不(bu)能被利用(yong)，卻很有意(yi)思”。

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在這項研究中，團隊將(jiang)油與(yu)多種(zhong)具有(you)(you)不同(tong)介電(dian)常(chang)數和電(dian)導率的液體混(hun)合后，通(tong)過施加(jia)電(dian)場(chang)，界(jie)面發生(sheng)剪切，會脫離平衡狀態，產生(sheng)有(you)(you)趣(qu)的結構。液滴形成了許(xu)多出乎(hu)(hu)意(yi)料(liao)的圖案，可(ke)被控制成為(wei)方形或六邊形，每條邊都是筆直(zhi)的，這在自然界(jie)中幾乎(hu)(hu)是不可(ke)能(neng)的。

液體甚至可(ke)以在誘導下形(xing)成(cheng)甜甜圈(quan)狀(zhuang)(zhuang)的(de)圓(yuan)環，在電場(chang)中保持形(xing)狀(zhuang)(zhuang)穩定。這也是自然條(tiao)件下不可(ke)能(neng)做到的(de)——這樣(yang)的(de)液體結(jie)構會具有強烈的(de)坍縮趨勢，填補(bu)中心的(de)孔洞。

實(shi)驗還實(shi)現(xian)了圍(wei)繞(rao)軸線(xian)轉(zhuan)動(dong)的細(xi)絲狀(zhuang)液滴(di)。

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了解本質，敢于創新

通過上述課(ke)題組(zu)的(de)(de)研究，我們(men)能(neng)夠創造出在(zai)自然界幾乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)找(zhao)到的(de)(de)液體形狀，這(zhe)為(wei)我們(men)帶(dai)來了制造動態特(te)定(ding)結構的(de)(de)方法。這(zhe)一結構不(bu)僅(jin)能(neng)夠通過電壓(ya)(ya)的(de)(de)開(kai)關來控制，還對進一步探(tan)索電壓(ya)(ya)控制的(de)(de)光學(xue)設備提(ti)供可(ke)能(neng)性。

而基于此項(xiang)研究的(de)(de)另(ling)一項(xiang)潛在的(de)(de)成(cheng)果，是能夠構造相(xiang)(xiang)互(hu)作用的(de)(de)滾動(dong)細絲和微(wei)液(ye)滴。這對微(wei)生(sheng)物基于各不相(xiang)(xiang)同的(de)(de)機制推進(jin)的(de)(de)動(dong)力學特性和集群行(xing)為(wei)也能進(jin)行(xing)指導研究。

未(wei)來(lai)(lai)，相信會有(you)越來(lai)(lai)越多的新方向等待被開發。

科(ke)學其實離我們并不遙遠，只要你細心(xin)觀察，潛心(xin)鉆研，也(ye)許從你身邊的(de)一個(ge)角落就能推(tui)衍出藏于其中的(de)科(ke)學本質。發現生活(huo)的(de)美，再告訴人們怎樣能夠創造(zao)出新的(de)美，這難道不是一件很酷的(de)事情(qing)嗎？

參考資料：

1.朱文濤，王(wang)軍民等，簡明物理(li)化(hua)學，清華大學出版社北京；

 2.表面(mian)張力的搜索結(jie)果_百度圖片(pian)搜索(baidu.com)；

 3.新浪看點，水黽為何輕功了(le)得原來卻有絕活|輕功|絕活|水面(mian)_新浪新聞(sina.com.cn)；

4.刷(shua)牙(ya)中的泡泡-國內版Bing images；

5.洗衣服-國(guo)內版Bing images；

6.//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1642

7.//www.linkresearcher.com/theses/4634451c-6902-42d8-8118-15aff1f3eff7

制作：陳琳(中國(guo)科(ke)學院工程熱物理(li)研究(jiu)所)陳勁濤（北京航空航天大(da)學）