什麼是表面張力

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宏觀現象有著各種各樣的微觀機制，液體的表面張力就是這樣。

在這起混亂博物館裡，我們首先會簡單了解這一著名現象的微觀機制，觀察這種現象在其它尺度上對一些生命活動的影響。

接下來，我們會看到生物們為了擺脫表面張力給自己帶來的困擾，進化出了怎樣的精巧結構——疏水性，這一長期被我們忽略的特殊材料性質，正在給我們帶來意外的收穫。

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視頻文字稿：

都知道滴溜溜的露珠是表面張力凝聚起來的水，那麼，什麼是表面張力？
狹義地說，以水為例，每個水分子都以種種作用力與周圍的水分子相互吸引，這使水凝聚起來，成為液體；但是水面上的水分子沒有完整的周圍，它們只能和水面下的水分子強烈吸引，而與空氣吸引很弱，結果在水與空氣的交界上形成了一股指向內部的合力——就是表面張力。
表面張力指向內部，總是傾向於收縮液體，更準確地說，是減小液體的表面積，荷葉上的露珠因此總是聚成球形。不同液體分子間的作用力強度不同，所以表面張力也不同——水分子之間有強大的氫鍵，所以表面張力格外強，理想狀態下，純水在空氣中的表面比鋼材還耐拉，只因日常的水含有大量雜質，才會一跌就破。

儘管如此，水的表面張力仍然能給動物們帶來很多麻煩——我們從游泳池裡出來，體表會沾上大約體重1%的水滴，幾乎感覺不到它們存在，而對於草叢中的小昆蟲來說，一旦全身陷入水中，就要衝破尼龍繩網般的表面張力才能脫身——憑它們微小的肌肉，這幾乎不可能。
於是，昆蟲為了躲避這種困厄，大多進化出一種獨特的結構：它們的外骨骼總是非常光滑，覆蓋了薄薄的蠟質，有些還布滿了微小的絨毛和凹坑，有效增大自身表面積，使水滴不能將它們浸潤，也就不能用表面張力將它們拖入水中了。
還有一部分昆蟲則專門利用水在空氣中的表面張力。「凌波微步」這個成語說的就是水黽能踩著水面上的那層分子迅速移動；豉甲更加敏捷，它們憑著腹部的絨毛和蠟質能像汽艇一樣在水面高速遊動，二者的食物都是水面上那些被表面張力困死的昆蟲屍體。龍虱索性仗著無法浸潤的體表鑽到水面以下，那層空氣薄膜就成了它們的氧氣罐，維持它們在水下呼吸。
在這裡，我們就將這種不能被水浸潤的表面特性，叫做疏水性，它實際上反映了液體、氣體、固體三者之間的關係：液體滴在固體表面，周圍充滿氣體，那麼三者相接處的夾角就由它們兩兩之間的界面張力決定，其中，固體和液體之間的張力越大，這個夾角就越大——這反映了材料自身的性質，油脂、蠟質總是不能與水吸附，就是因為這些物質與水的分子間作用力很弱，界面張力很大。

而那些凹坑和絨毛的結構就比較粗暴：它們直接在材料表面困住了大量的空氣，將一部分固體液體界面轉化成液體氣體界面，極大增加了那個夾角，使得水滴無法再坍成薄膜，會立刻滾成圓滾滾的露珠，很容易滾落下來，荷葉就用這種方法出淤泥而不染，我們又模仿這些生物材料，研製出了許多更加強力的超疏水材料和塗料，在工業和民用中都有廣闊的前景。