出品：科普中國

在我們品嘗各式美味湯肴時(shí)，你可能會(huì )發(fā)現湯里漂浮的油滴大都是圓形的。那么，為什么生活中見(jiàn)到的小油滴在水中呈現的是圓形，而不是四邊形、五邊形抑或是多邊形？在水中有沒(méi)有可能呈現出多邊形的油滴呢？且聽(tīng)我們一一道來(lái)。

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油滴在水中形成圓形的原因——表面張力

油滴之所以能漂浮在水的表面，首先是因為油和水不相溶。如果是相溶的兩種物質(zhì)，那就不存在“形成特定的形狀”這一說(shuō)法了。

那么，既然不相容，就必定存在一個(gè)相交的表面，如下圖中的油水分離表面。

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在表面化學(xué)中，物質(zhì)的兩相之間密切接觸的過(guò)渡區稱(chēng)為界面，如氣-固、氣-液、固-固、固-液及液-液界面。我們習慣將其中的氣-液和氣-固界面稱(chēng)為表面，其余稱(chēng)為界面。二者并無(wú)嚴格區分，常常通用。

那么，對于任何一個(gè)表面，處在物質(zhì)表面層（也稱(chēng)“表面相”）的分子，與內部分子在受力情況、能量狀態(tài)和所處的環(huán)境等方面均不相同。我們以純液體表面為例進(jìn)行分析。

上方為氣相，下方為液相，圖中分別用B和A表示表面分子和液體內部分子。

液體內部分子A與周?chē)肿拥淖饔昧κ菍ΨQ(chēng)的，相互抵消，合力為零，因此A在液體內部移動(dòng)時(shí)不需要做功。而對于表面分子B，與表面下的水分子相互的作用力強烈，與表面上的空氣作用力則較弱。由于上下的作用力大小不一致，因此B處于一個(gè)不對稱(chēng)的力場(chǎng)中，形成了一股指向內部的合力，此力力圖將其拉回液體的內部。

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當有內部分子A想從液相移至表面層成為分子B時(shí)，那就必須克服這股合力對分子的影響做功，這時(shí)分子能量增加，意味著(zhù)B比A具有更多的能量。

而高能量的系統總是有趨于更穩定狀態(tài)的趨勢，因此B就會(huì )自動(dòng)收縮其表面積以達到穩定。這時(shí)，表面上存在的使其表面積自動(dòng)收縮的力，就被人們定義為表面張力。

表面張力垂直于邊界線(xiàn)且指向表面內部，且總是作用在表面上，如果表面是彎曲的，則表面張力就是沿著(zhù)曲面的切線(xiàn)方向。

由上述我們可以知道，在表面的邊界上，表面張力使物質(zhì)的表面積趨向于收縮變小的方向發(fā)展。而在體積一定的情況下，球體是表面積最小的幾何體，所以上述的小油滴本身是最想變成球體的。

但是，由于我們所看到的油滴在水面上，變化空間為二維而不是三維，在面積一定的條件下，圓形是邊長(cháng)最小的幾何圖形，因此油滴在水中呈現圓形。

確定地說(shuō)，只要有表面存在，就會(huì )有表面張力。除了油滴在水中成圓形外，生活中其實(shí)還有許多現象都是表面張力形成的。

生活中的表面張力

不僅是液液之間，表面張力存在于生活的每一處——清晨凝聚在葉片上的露珠、緩緩落在水面的液滴、高于杯面卻沒(méi)溢出的水、在水面上滑行奔跑的水黽等。

常見(jiàn)的固-液之間的生活現象都是在表面張力的作用下形成的。

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在液體與氣體接觸的表面層，表面張力也會(huì )出現表面收縮的趨勢。

用牙膏刷牙時(shí)，會(huì )吐出些牙膏白沫，而牙膏白沫一旦落在水面上，便會(huì )立即向四周散開(kāi)，可見(jiàn)水的表面張力比牙膏液的表面張力大。

我們就是利用這個(gè)道理來(lái)幫助清潔口腔的。刷牙前，先用清水漱漱口，再用牙膏刷牙，這時(shí)會(huì )使得牙膏液在水的表面張力作用下充斥整個(gè)口腔，污物便更容易隨著(zhù)牙膏液和水被清洗干凈。

同樣，肥皂、洗滌劑及洗衣液等，也是通過(guò)表面張力的原理來(lái)去除污垢、清潔衣物的。

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在工業(yè)上，用于測定表面張力的表面張力儀最常見(jiàn)的應用，就在清洗劑方面，用于剖析外表面活性劑的吸收速度、性質(zhì)，研究適宜的濃度等。表面張力儀同樣能在醫藥、農業(yè)、電力、石油和化妝品等十多個(gè)重要行業(yè)中有所應用。

當我們結合實(shí)際現象、了解到背后的科學(xué)原理后，往往就會(huì )思考能否控制表面張力，打破這種平衡，從而更好地服務(wù)我們，滿(mǎn)足我們的需求。

比如，將圓形的油滴通過(guò)一些方法變成我們想看到的多邊形油滴！雖然這聽(tīng)起來(lái)不可思議，但是科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗室內做到了！

方形油滴在實(shí)驗室內出現了

芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）的Jaakko Timonen教授的課題組在9月15日的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了關(guān)于這一過(guò)程的新研究。

他說(shuō)：“平衡態(tài)的東西都太無(wú)聊了。把系統推離平衡態(tài)，去看看非平衡的結構能不能被控制、能不能被利用，卻很有意思”。

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在這項研究中，團隊將油與多種具有不同介電常數和電導率的液體混合后，通過(guò)施加電場(chǎng)，界面發(fā)生剪切，會(huì )脫離平衡狀態(tài)，產(chǎn)生有趣的結構。液滴形成了許多出乎意料的圖案，可被控制成為方形或六邊形，每條邊都是筆直的，這在自然界中幾乎是不可能的。

液體甚至可以在誘導下形成甜甜圈狀的圓環(huán)，在電場(chǎng)中保持形狀穩定。這也是自然條件下不可能做到的——這樣的液體結構會(huì )具有強烈的坍縮趨勢，填補中心的孔洞。

實(shí)驗還實(shí)現了圍繞軸線(xiàn)轉動(dòng)的細絲狀液滴。

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了解本質(zhì)，敢于創(chuàng )新

通過(guò)上述課題組的研究，我們能夠創(chuàng )造出在自然界幾乎不可能找到的液體形狀，這為我們帶來(lái)了制造動(dòng)態(tài)特定結構的方法。這一結構不僅能夠通過(guò)電壓的開(kāi)關(guān)來(lái)控制，還對進(jìn)一步探索電壓控制的光學(xué)設備提供可能性。

而基于此項研究的另一項潛在的成果，是能夠構造相互作用的滾動(dòng)細絲和微液滴。這對微生物基于各不相同的機制推進(jìn)的動(dòng)力學(xué)特性和集群行為也能進(jìn)行指導研究。

未來(lái)，相信會(huì )有越來(lái)越多的新方向等待被開(kāi)發(fā)。

科學(xué)其實(shí)離我們并不遙遠，只要你細心觀(guān)察，潛心鉆研，也許從你身邊的一個(gè)角落就能推衍出藏于其中的科學(xué)本質(zhì)。發(fā)現生活的美，再告訴人們怎樣能夠創(chuàng )造出新的美，這難道不是一件很酷的事情嗎？

參考資料：

1.朱文濤，王軍民等，簡(jiǎn)明物理化學(xué)，清華大學(xué)出版社北京；

2.表面張力的搜索結果_百度圖片搜索(baidu.com)；

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

4.刷牙中的泡泡-國內版Bing images；

5.洗衣服-國內版Bing images；

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

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

制作：陳琳(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)陳勁濤（北京航空航天大學(xué)）