神奇的表面张力

黄才发

生活中有很多现象，因为常见而很少有人多问个为什幺？例如，为什幺水黾可以在水面上行走跳跃而不沉下去？为什幺清水吹不出泡泡，加入肥皂或洗衣粉就可以吹出球形且不容易破的泡泡？

这些都是与表面张力有关的现象。2021年12月9日，航天员翟志刚、王亚平与叶光富在中国空间站演示的微重力环境下水膜张力实验以及泡腾片实验，就涉及表面张力的知识。那什幺是表面张力呢？

表面张力指的是液体表面任意两相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。通俗来讲，即水等液体会产生使表面尽可能缩小的力，这个力称为“表面张力”。

它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫作表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。水的表面被表面张力的强大拉力聚拢在一块，使得水面看上去像一层薄而又有弹性的“表皮”，托住了小昆虫，使之能无拘无束地在水面上行走自如，而不下沉。

这种张力使液体总有缩小表面积的倾向，相同体积下，球的外表面积最小，因此在没有外力的情况下（如失重状态）液滴往往呈球形。

表面张力在生活中的应用很多。在与表面张力有关的各种现象中，接触角扮演着极为重要的角色。接触角即在气、液、固三相交点处所作的气—液界面的切线与固—液交界线之间的夹角θ，若θ90°，则固体是疏水的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动。

水珠能在荷叶上自由滚动，这是因为水在叶面上的接触角介于130～160度之间，不易润湿表面。而荷叶能“自洁”，其原理是荷叶表面的纳米纤毛结构使其具有与水的超高接触角，有很强的疏水性，水珠在滚动过程中即可将灰尘带走，从而达到洁净效果。

科学家了解到这种自然界神奇功能后，开发出可以运用在建筑物外墙、汽车烤漆、卫浴设备瓷釉上的涂层，这些涂层材料可以产生自洁的功效，真正达到“不沾”。我们日常穿戴的衣帽，表面经过特殊涂层处理后，使水不能浸润，起到防雨的作用，也是应用了这一原理。

表面张力的大小与液体性质及液面外相邻物质的性质有关，还与温度以及液面中所含的杂质有关。一般情况下，温度越高，表面张力越小。而杂质也会明显改变液体的表面张力， 比如洁净的水有很大的表面张力， 而沾有肥皂液的水表面张力就比较小， 这就是为什幺清水吹不出泡泡，而在清水中加入肥皂或洗衣粉就可以吹出泡泡的原因。

下面我们通过几个小实验来感受一下表面张力。

[ 器材准备]

一次性塑料杯2个、废弃铝电线若干、洗洁精、白糖、缝衣针若干枚、硬币若干枚、牙签1盒、棉线、钥匙多枚

小实验1：

一次性塑料杯中倒入水，快满的时候慢慢一滴滴加水，发现水面会形成一个小弧面，快要溢出的水却没有溢出。再慢慢放进几枚钥匙，数数加进多少个钥匙时水才溢出。（图1）

小实验2：

一次性塑料杯内倒入清水，把一根钢制缝衣针（也可用硬币、回形针）水平地放在平静的水面上，发现针就浮在水面上。（图2）

小实验3：

把铁线圈成个铁环（也可用陀螺拉条），中间拴一根棉线，浸入用洗洁精、白糖、清水配制的泡泡液中，再拿出来。拉条上就会附上泡泡液薄膜，此时棉线明显是松弛的。当刺破棉线一侧薄膜，会发现一侧的薄膜突然收缩，棉线向一侧绷紧，弯曲成弧形，不再松弛，看来液体表面确实有收缩的趋势。（图3）

小实验4：

用铁线做个几字形金属框，铜线做个滑动边。把整体放入泡泡液后取出，框上附上液膜，把活动边拉至一侧松开手，就会发现液膜被滑动边拉开后，随即弹回原处（图4），可重复数次，观察结果。

小实验5：

找5根牙签从中间掰折，但不要断裂，如图示。将掰折的中间聚在一个点上摆成放射线状。再在中间点的位置滴几滴水，观察牙签的变化。水的表面张力使牙签动起来，形成了一个五角星。（图5）

小实验6：

用铁线（或铜线）做多个立体金属框，依次浸入泡泡液中，观察表面张力让液膜形成的各种图案，会有意外惊喜。（图6）