解密表面張力的微小世界

一個(gè)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象不僅能使人們理解微觀世界的奧秘，還能幫助人們化解世界難題。

如果不小心沾到雨水，由于水的表面張力作用，螞蟻將陷入困境。水分子間的極性相互作用使得滴落的水滴呈球形，這也離不開表面張力的影響。表面張力使水面富有彈性，即使發(fā)生變形也不會(huì)破裂；表面張力還能增強(qiáng)水面的附著力，像流沙一樣將不幸落入水中的螞蟻吞噬。

物理學(xué)家早已弄清表面張力的成因。水分子總是試圖降低與其他類型分子的聯(lián)系，因此當(dāng)有外部力量使水的表面發(fā)生變形時(shí)，被迫發(fā)生位移的水分子將努力回到原來位置，維持最小勢(shì)能狀態(tài)。在這種情況下，水分子就像膠水一樣，除非干擾者本身對(duì)水分子有更強(qiáng)的吸引力。盡管人類不需要擔(dān)心受困于水的表面張力，但它仍然與人類的生活息息相關(guān)。例如，表面張力使得人類病原體和農(nóng)業(yè)病原體能通過微小的水滴遠(yuǎn)距離傳播。

讓植物擁有“肌肉”

植物沒有肌肉組織，但對(duì)一些植物來說，表面張力可以起到肌肉的作用。以牻牛兒苗屬植物為例，其果實(shí)與鳥類的喙很相似。在果實(shí)內(nèi)部，每顆種子都能生長出幾厘米長的芒，這種枝條狀的“尾巴”有兩大作用。首先，這些芒在果實(shí)內(nèi)部是伸展開的，當(dāng)果實(shí)由于干燥而發(fā)生干裂時(shí)，這些芒會(huì)在發(fā)生干裂的同時(shí)將果實(shí)包裹起來，把儲(chǔ)存于其中的能量釋放出來。此外，芒還會(huì)將果實(shí)的種子往地面輸送，完成“播種”任務(wù)。當(dāng)種子接觸地面時(shí)，芒會(huì)在白天卷起，在夜間展開，以這種“水滴石穿”的方式將種子種到土壤里，其播種速度每天只有1毫米左右。

韓國首爾國立大學(xué)機(jī)械工程師 Ho-Young Kim 發(fā)現(xiàn)，表面張力在上述過程中起主導(dǎo)作用。通常情況下，表面張力使水滴呈球狀，從而將空氣—水界面的接觸最小化。但是當(dāng)水滴落在一處對(duì)水分子有強(qiáng)吸引力的界面上，且這種吸引力強(qiáng)過水本身對(duì)水分子的吸引力時(shí)，水滴就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，并將接觸面弄濕。 Kim 發(fā)現(xiàn)，牻牛兒苗屬植物及另一種能夠完成自我播種的植物——天竺葵屬植物的芒是由大量木質(zhì)素纖維和果膠纖維組成的，而這些材料具有親水性。當(dāng)空氣濕度高時(shí)，這些纖維能快速吸收水分。 Kim 解釋道：“當(dāng)這些組織吸收水分后會(huì)發(fā)生膨脹，使得芒從原本干燥卷曲的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)。當(dāng)空氣濕度低時(shí)，這些纖維會(huì)將水分釋放出來，其體形縮小，使得芒又從伸展?fàn)顟B(tài)回到卷曲狀態(tài)?！?/span>

Kim 將兩組植物的種子置于一臺(tái)力傳感器上，并人為提高空氣濕度，用以衡量牻牛兒苗屬展開芒時(shí)的力量。他還以玻璃微珠為材料設(shè)計(jì)了各種不同型號(hào)的“土壤”，專門用來測(cè)試該植物播種力量的極限。 Kim 稱：“這股力量足以穿透土壤?！?/span>

葉子的“雨衣”

人厭槐葉蘋是一種水生蕨類植物，它能夠?yàn)樗虏糠值臉淙~披上一層薄薄的“空氣衣”。這層薄薄的空氣使其水下部分也能進(jìn)行光合作用和換氣。工程師一直想在船身外側(cè)設(shè)計(jì)出一種類似的空氣層，從而減少阻力，節(jié)省燃料。但到目前為止，沒有人能讓空氣層維持下去。

為此，德國波恩大學(xué)名譽(yù)生物學(xué)家 Wilhelm Barthlott 與同事決定探尋人厭槐葉蘋維持空氣層的奧秘。通過研究人厭槐葉蘋樹葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)這種植物的表皮上長有2毫米長的絨毛，每4根絨毛為一簇，簇與簇的間隔非常規(guī)律。這些絨毛本身具有疏水性，但其尖端卻具有親水性。表面張力將空氣—水界面“釘”在這些絨毛的尖端，使空氣層不會(huì)因?yàn)樗鞫屏选?/span>

比利時(shí)列日大學(xué)生物學(xué)家 Matthias Mayser 說，人厭槐葉蘋還能抵御雨水的沖擊。對(duì)此， Mayser 解釋道：“如果絨毛間的空隙已被雨水填滿，植物的水下部分是無法形成空氣層的。而雨水的表面張力使其外形呈球狀——從而避免穿透絨毛間的縫隙，使空氣層得以維持。”

在百合花間低飛

水百合甲蟲一生中絕大部分時(shí)間徘徊于百合花葉之間，但美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)家 Manu Prakash 發(fā)現(xiàn)了它們的一種奇異行為。在花葉間移動(dòng)時(shí)，這種昆蟲從不起飛，而是緊貼水面飛行。他想弄清這種奇異的飛行方式是否受到了表面張力的影響。

Manu Prakash 與他的研究生 Haripriya Mukundarajan 將水百合甲蟲的飛行過程拍攝下來，并通過電子顯微鏡仔細(xì)觀察其身體構(gòu)造。他們發(fā)現(xiàn)，每只甲蟲身上都覆滿了絨毛。更進(jìn)一步的測(cè)試顯示：這些絨毛使得甲蟲具備超疏水性。唯一一處沒有絨毛的部位是甲蟲的爪子，相應(yīng)地，這使得其足部具備親水性。 Prakash 懷疑，甲蟲的軀體和腿部被水的表面所排斥，而其具備親水性的足部能夠使它們黏在水上。

通過錄像，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲蟲飛行時(shí)，會(huì)將6只爪子中的4只浸入水中，與此同時(shí)抬起中間部位的2只。對(duì)此， Prakash 解釋道：“如果沒有表面張力，當(dāng)甲蟲振動(dòng)翅膀時(shí)它就會(huì)飛離水面?！?/span>

雖然掠過水面的姿勢(shì)看上去非常古怪，但對(duì)于水百合甲蟲來說這是一種比完全依靠翅膀飛行更加有效的移動(dòng)方式，因?yàn)閺臉淙~上起飛非常浪費(fèi)時(shí)間和精力。唯一不足之處在于，如果甲蟲飛得太快（通常情況下甲蟲的速度為50厘米/秒），會(huì)在水面上泛起漣漪，反過來會(huì)阻礙它繼續(xù)前進(jìn)。

病原體的“空中旅行”

表面張力還能幫病原體進(jìn)行“空中旅行”。噴嚏和咳嗽會(huì)在空氣中形成一大片水滴，而病毒則棲身于這些水滴中。表面張力不僅決定著每一個(gè)水滴的大小、外形和破裂速度，還影響其在空氣中的傳播速度。此外，氣溫和濕度也會(huì)對(duì)水滴的維持時(shí)間產(chǎn)生影響。

美國麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)家 Lydia Bourouiba 和列日大學(xué)流體力學(xué)工程師 Tristan Gilet 將研究重點(diǎn)放在雨水對(duì)植物疾病傳播的影響上。農(nóng)業(yè)專家早就知道植物疾病的傳播在雨后會(huì)更迅速。 Bourouiba 和 Gilet 懷疑落下的雨點(diǎn)是植物疾病傳播的“幫兇”。

由于樹葉本身具有疏水性，雨水落在樹葉上將形成離散的水坑而不是薄薄的一層水膜，因此雨水能將病原體吸附在內(nèi)。他們拍攝的錄像顯示，當(dāng)一滴雨水正好落在一處水坑旁時(shí)，它將濺起水坑內(nèi)部分或全部的水。水滴的飛濺距離由樹葉的大小和彈性決定。較小樹葉在受到雨水沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，飛濺效果并不顯著；而較大樹葉則能抵御這種影響，飛濺出的水滴能傳播得更遠(yuǎn)。

雨水傳播病毒的效果會(huì)受到病原體密度及水滴大小的影響。但是， Bourouiba 和 Gilet 的研究顯示，植物的間距越大，病毒傳播的影響越小。

從昆蟲的移動(dòng)到增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，一個(gè)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象不僅能使人們理解微觀世界的奧秘，還能幫助人們化解世界難題。