解密表面张力的微小世界

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一个简单的物理现象不仅能使人们理解微观世界的奥秘，还能帮助人们化解世界难题。

如果不小心沾到雨水，由于水的表面张力作用，蚂蚁将陷入困境。水分子间的极性相互作用使得滴落的水滴呈球形，这也离不开表面张力的影响。表面张力使水面富有弹性，即使发生变形也不会破裂；表面张力还能增强水面的附着力，像流沙一样将不幸落入水中的蚂蚁吞噬。

物理学家早已弄清表面张力的成因。水分子总是试图降低与其他类型分子的联系，因此当有外部力量使水的表面发生变形时，被迫发生位移的水分子将努力回到原来位置，维持最小势能状态。在这种情况下，水分子就像胶水一样，除非干扰者本身对水分子有更强的吸引力。尽管人类不需要担心受困于水的表面张力，但它仍然与人类的生活息息相关。例如，表面张力使得人类病原体和农业病原体能通过微小的水滴远距离传播。

让植物拥有“肌肉”

植物没有肌肉组织，但对一些植物来说，表面张力可以起到肌肉的作用。以牻牛儿苗属植物为例，其果实与鸟类的喙很相似。在果实内部，每颗种子都能生长出几厘米长的芒，这种枝条状的“尾巴”有两大作用。首先，这些芒在果实内部是伸展开的，当果实由于干燥而发生干裂时，这些芒会在发生干裂的同时将果实包裹起来，把储存于其中的能量释放出来。此外，芒还会将果实的种子往地面输送，完成“播种”任务。当种子接触地面时，芒会在白天卷起，在夜间展开，以这种“水滴石穿”的方式将种子种到土壤里，其播种速度每天只有1毫米左右。

韩国首尔国立大学机械工程师 Ho-Young Kim 发现，表面张力在上述过程中起主导作用。通常情况下，表面张力使水滴呈球状，从而将空气—水界面的接触最小化。但是当水滴落在一处对水分子有强吸引力的界面上，且这种吸引力强过水本身对水分子的吸引力时，水滴就会发生扩散，并将接触面弄湿。 Kim 发现，牻牛儿苗属植物及另一种能够完成自我播种的植物——天竺葵属植物的芒是由大量木质素纤维和果胶纤维组成的，而这些材料具有亲水性。当空气湿度高时，这些纤维能快速吸收水分。 Kim 解释道：“当这些组织吸收水分后会发生膨胀，使得芒从原本干燥卷曲的状态转变为伸展状态。当空气湿度低时，这些纤维会将水分释放出来，其体形缩小，使得芒又从伸展状态回到卷曲状态。”

Kim 将两组植物的种子置于一台力传感器上，并人为提高空气湿度，用以衡量牻牛儿苗属展开芒时的力量。他还以玻璃微珠为材料设计了各种不同型号的“土壤”，专门用来测试该植物播种力量的极限。 Kim 称：“这股力量足以穿透土壤。”

叶子的“雨衣”

人厌槐叶苹是一种水生蕨类植物，它能够为水下部分的树叶披上一层薄薄的“空气衣”。这层薄薄的空气使其水下部分也能进行光合作用和换气。工程师一直想在船身外侧设计出一种类似的空气层，从而减少阻力，节省燃料。但到目前为止，没有人能让空气层维持下去。

为此，德国波恩大学名誉生物学家 Wilhelm Barthlott 与同事决定探寻人厌槐叶苹维持空气层的奥秘。通过研究人厌槐叶苹树叶表面的微观结构，他们发现这种植物的表皮上长有2毫米长的绒毛，每4根绒毛为一簇，簇与簇的间隔非常规律。这些绒毛本身具有疏水性，但其尖端却具有亲水性。表面张力将空气—水界面“钉”在这些绒毛的尖端，使空气层不会因为水流而破裂。

比利时列日大学生物学家 Matthias Mayser 说，人厌槐叶苹还能抵御雨水的冲击。对此， Mayser 解释道：“如果绒毛间的空隙已被雨水填满，植物的水下部分是无法形成空气层的。而雨水的表面张力使其外形呈球状——从而避免穿透绒毛间的缝隙，使空气层得以维持。”

在百合花间低飞

水百合甲虫一生中绝大部分时间徘徊于百合花叶之间，但美国斯坦福大学物理学家 Manu Prakash 发现了它们的一种奇异行为。在花叶间移动时，这种昆虫从不起飞，而是紧贴水面飞行。他想弄清这种奇异的飞行方式是否受到了表面张力的影响。

Manu Prakash 与他的研究生 Haripriya Mukundarajan 将水百合甲虫的飞行过程拍摄下来，并通过电子显微镜仔细观察其身体构造。他们发现，每只甲虫身上都覆满了绒毛。更进一步的测试显示：这些绒毛使得甲虫具备超疏水性。唯一一处没有绒毛的部位是甲虫的爪子，相应地，这使得其足部具备亲水性。 Prakash 怀疑，甲虫的躯体和腿部被水的表面所排斥，而其具备亲水性的足部能够使它们黏在水上。

通过录像，他们发现当甲虫飞行时，会将6只爪子中的4只浸入水中，与此同时抬起中间部位的2只。对此， Prakash 解释道：“如果没有表面张力，当甲虫振动翅膀时它就会飞离水面。”

虽然掠过水面的姿势看上去非常古怪，但对于水百合甲虫来说这是一种比完全依靠翅膀飞行更加有效的移动方式，因为从树叶上起飞非常浪费时间和精力。唯一不足之处在于，如果甲虫飞得太快（通常情况下甲虫的速度为50厘米/秒），会在水面上泛起涟漪，反过来会阻碍它继续前进。

病原体的“空中旅行”

表面张力还能帮病原体进行“空中旅行”。喷嚏和咳嗽会在空气中形成一大片水滴，而病毒则栖身于这些水滴中。表面张力不仅决定着每一个水滴的大小、外形和破裂速度，还影响其在空气中的传播速度。此外，气温和湿度也会对水滴的维持时间产生影响。

美国麻省理工学院应用数学家 Lydia Bourouiba 和列日大学流体力学工程师 Tristan Gilet 将研究重点放在雨水对植物疾病传播的影响上。农业专家早就知道植物疾病的传播在雨后会更迅速。 Bourouiba 和 Gilet 怀疑落下的雨点是植物疾病传播的“帮凶”。

由于树叶本身具有疏水性，雨水落在树叶上将形成离散的水坑而不是薄薄的一层水膜，因此雨水能将病原体吸附在内。他们拍摄的录像显示，当一滴雨水正好落在一处水坑旁时，它将溅起水坑内部分或全部的水。水滴的飞溅距离由树叶的大小和弹性决定。较小树叶在受到雨水冲击时会发生弯曲，飞溅效果并不显著；而较大树叶则能抵御这种影响，飞溅出的水滴能传播得更远。

雨水传播病毒的效果会受到病原体密度及水滴大小的影响。但是， Bourouiba 和 Gilet 的研究显示，植物的间距越大，病毒传播的影响越小。

从昆虫的移动到增加农作物的产量，一个简单的物理现象不仅能使人们理解微观世界的奥秘，还能帮助人们化解世界难题。