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1.失重與書寫

當(dāng)宇航員進(jìn)入太空時(shí)，傳統(tǒng)的鋼筆、圓珠筆必須依靠重力將墨水漏入筆尖，因而無法使用。鉛筆雖然可以正常書寫，但微小的導(dǎo)體石墨粉可能帶來災(zāi)難性的后果?，F(xiàn)代的太空筆依靠氣壓將墨水壓出。在神舟十三號(hào)的飛行任務(wù)中，翟志剛攜帶中國傳統(tǒng)文房四寶進(jìn)入空間站，將中華兒女骨子里的劍膽琴心展現(xiàn)得淋漓盡致。

圖1 神舟十二號(hào)航天員劉伯明在【開學(xué)第一課】中揮毫寫下“理想”二字

且慢，為什么別的水筆不能用，毛筆這誕生于先秦的古老文具，能在21世紀(jì)的星海探險(xiǎn)中發(fā)揮作用？

要回答這個(gè)問題，我們要首先思考一番，毛筆是怎么書寫的。答案看起來很簡(jiǎn)單：毛筆上面吸收了墨水，在筆尖與紙張接觸的時(shí)候，墨水就從筆尖轉(zhuǎn)移到了紙上。但是，如果深入思考，為什么只有當(dāng)毛筆接觸到紙張時(shí)，墨水才發(fā)生轉(zhuǎn)移，其他時(shí)候呢？

圖2 舔筆，如果蘸墨太多，就可以用硯臺(tái)邊緣把多余的墨水刮掉

實(shí)際上，墨水自動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移也是常有的事情。初學(xué)者有時(shí)候會(huì)一口氣蘸上太多的墨水，墨水就會(huì)從筆尖上滴下來。毛筆蘸墨時(shí)會(huì)有特殊的技巧：只需把筆尖的一部分浸入墨中，這樣可以保證只吸入適量的墨水，墨水就不會(huì)從筆尖滴落。所以，一支毛筆能留住的墨水，有一個(gè)上限。

2.一股神奇的力

透過現(xiàn)象看本質(zhì)，既然毛筆可以留住墨水，那么一定有一個(gè)機(jī)制來克服重力，這個(gè)機(jī)制會(huì)是什么呢？我們不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛筆筆尖是一個(gè)開放的區(qū)域，各處的大氣壓是平衡的，于是只需要考慮重力與分子之間的相互作用。分為兩種，一部分是液體分子之間的互相作用，而另一部分是液體與容器壁分子之間的相互作用，使液體黏附或者疏離。兩種相互作用都有摩擦力，微觀上體現(xiàn)為電磁相互作用，如果在宏觀上結(jié)合起來，就帶來一種叫做毛細(xì)現(xiàn)象的神奇現(xiàn)象。

毛細(xì)現(xiàn)象是指，將一根毛細(xì)管浸入液體中，相比管外液面，管內(nèi)液面會(huì)自發(fā)向上或向下發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于生活中常見的液體，例如水和酒精，它們?cè)诩?xì)管中均會(huì)上升。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)配置溶液時(shí)，使用量筒讀數(shù)時(shí)，視線應(yīng)與凹液面最低處或者凸液面最高處平行。對(duì)于凹液面，由于水能浸潤(rùn)玻璃，因此會(huì)被吸附在容器邊緣，再由于表面張力而沿著器壁自發(fā)移動(dòng)，體現(xiàn)為上升，從而體現(xiàn)為邊緣高，中心矮。

圖3 不同液體中的玻璃毛細(xì)管

量筒中的水銀則反之：由于水銀不能浸潤(rùn)玻璃，從而有強(qiáng)烈的趨勢(shì)“逃離”容器壁，表現(xiàn)為下降。當(dāng)粗大的量筒不斷變細(xì)，細(xì)到液面發(fā)生變化的尺度，已經(jīng)與管的直徑相當(dāng)，此時(shí)細(xì)管內(nèi)的液體將整體發(fā)生移動(dòng)。管越細(xì)，液面上升或下降就越顯著，因此得名為毛細(xì)效應(yīng)。

3.毛細(xì)現(xiàn)象的背后

毛細(xì)現(xiàn)象第一眼看上去很違反直覺。人們常說，“水往低處流”，為什么水可以自發(fā)往高處移動(dòng)？能量守恒定理告訴我們，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，液柱上升的過程伴隨重力勢(shì)能的增大，因此一定能找到另一種能量，在這個(gè)過程中是降低的。沒錯(cuò)，這種能量來自液體的表面張力。

首先考慮液體-氣體（或者真空）的交界面。在界面兩側(cè)，液體分子的組合形式有很大的差異。

圖4 液體與界面處的分子有不同的相互作用大小

在液體表面與內(nèi)部，液體分子之間形成的相互作用很不相同。表面的液體分子互相連接更少，相互作用更弱，于是兩側(cè)受力不均。在這種受力不均的情況下，內(nèi)部受力較大，將自發(fā)向外部“突出”，于是在不受重力的情況下，一團(tuán)液體將呈現(xiàn)球形。在這種情況下，表面張力將使液體分界面變彎，使之達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。

而在液-固交界面，除了液體分子相互作用的作用力，液體分子與固體分子（原子）的相互作用也變得不可忽視。分子之間的相互作用，通?？梢杂萌R納德-瓊斯勢(shì)表示：

圖5 分子間相互作用與距離的關(guān)系

對(duì)于液體與固體分子之間的典型距離，二者之間存在互相吸引的相互作用。如果液面與固體的吸引力超過液體分子之間的吸引力，我們就認(rèn)為，固體表面可以吸附住液滴，叫做浸潤(rùn)。例如水能浸潤(rùn)玻璃，但不能浸潤(rùn)蠟燭。但如果液體分子之間的相互作用更強(qiáng)，例如水銀原子之間的相互作用強(qiáng)于水銀與玻璃分子之間的相互作用，液體就不能浸潤(rùn)固體。

圖6 液滴在固體表面的形式，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，燒杯要洗到呈現(xiàn)水膜（a），不能聚成水滴或成股流下(b、c)，就利用了浸潤(rùn)原理

綜合液體分子之前的相互作用，以及液體分子與外部固體分子的相互作用，我們就得到了表面張力，并依據(jù)這兩種相互作用的大小，將液體-固體分為浸潤(rùn)與否兩類。

問題的解答就是這樣。毛細(xì)現(xiàn)象實(shí)際上要求達(dá)到一種平衡：液體分子相互作用，與液體與表面相互作用的平衡。在達(dá)到這個(gè)平衡的過程中，液體表面會(huì)發(fā)生變形。毛筆的材料，獸毛，也就是蛋白質(zhì)，像玻璃一樣可以被水浸潤(rùn)。由于分子間相互作用不受重力影響，毛細(xì)現(xiàn)象在空間站里面自然也可以發(fā)生，于是毛筆在失重條件下，也可以一如既往地吸入墨水，并正常書寫了。

4. 毛細(xì)現(xiàn)象的利用

從毛細(xì)現(xiàn)象的描述，我們可以直接得到兩個(gè)推論：

1. 由于阻力的存在，毛細(xì)現(xiàn)象并不能用來持續(xù)做功，一切“永動(dòng)機(jī)”都是不可能實(shí)現(xiàn)的。

2. 如果沒有摩擦力，那么毛細(xì)管將不斷把液體吸到高處，直到充滿整根管子或者從頂部噴出。

2正是著名的“超流”現(xiàn)象。超流是一類宏觀的量子現(xiàn)象，其原理較為復(fù)雜，本文不再詳細(xì)描述。從直觀上講，超流體的特征是流動(dòng)時(shí)不受到阻力，它和正常流體之間在微觀結(jié)構(gòu)上存在巨大的差異，像液態(tài)-氣態(tài)那樣，分屬于不同的物態(tài)。特定溫度下的液氦就屬于這樣的超流體，它們可以從毛細(xì)管中噴出，形成噴泉。

圖7 超流液氦噴泉

液氦噴泉仍然滿足能量守恒：當(dāng)液氦從毛細(xì)管中噴出后，容器里的液氦溫度會(huì)上升，這個(gè)現(xiàn)象被稱為“機(jī)械熱效應(yīng)”。當(dāng)超流液氦被加熱到特定溫度，也就是大約零下271℃（準(zhǔn)確來說，大約是2.18K）時(shí)，超流液氦變成普通液氦，噴泉停止工作。整個(gè)過程相當(dāng)于原來的化學(xué)能（本質(zhì)上是電磁相互作用的勢(shì)能）變成了重力勢(shì)能與動(dòng)能，而后再變?yōu)榛瘜W(xué)能。

另外非浸潤(rùn)也有強(qiáng)大的利用價(jià)值，例如水銀與玻璃。將水銀倒入量筒中，它的液面向上凸起，表明水銀會(huì)自發(fā)沿著玻璃壁下降。因?yàn)檫@個(gè)性質(zhì)，在玻璃毛細(xì)管中，水銀會(huì)下降，而不是像水那樣上升。這個(gè)性質(zhì)被人們利用在體溫計(jì)制作中：體溫計(jì)的玻璃液泡與測(cè)量管之間有一條很狹窄的細(xì)管。

圖8 體溫計(jì)液泡與測(cè)量段之間的細(xì)管，水銀柱在這里很容易被拉斷

當(dāng)測(cè)量溫度結(jié)束后，體溫計(jì)被拿到空氣中，液泡溫度迅速下降，導(dǎo)致水銀收縮。由于毛細(xì)現(xiàn)象，彎管處細(xì)液柱被折斷，使進(jìn)入測(cè)量管的水銀無法回到液泡，于是體溫計(jì)一旦離開人體，示數(shù)就不再發(fā)生變化了。

對(duì)于那些極端憎水的材料，液體與容器壁之間吸引力很小，液滴就可以在表面自由滾動(dòng)。荷葉表面充滿納米尺度的凸起，這些凸起導(dǎo)致水無法浸潤(rùn)荷葉，讓水滴不會(huì)停留在這種水生植物的葉子上。

圖9 疏水的植物葉片

5. 總結(jié)

當(dāng)我們放眼星辰大海時(shí)，前人那些充滿創(chuàng)意的智慧也在看著我們。期待三位宇航員能平安愉快地度過太空中的半年，并創(chuàng)作出與地面上一樣精美的書法作品。

圖片來源

圖4 分子排列

https://www.biolinscientific.com/measurements/surface-tension

圖5 勢(shì)能曲線

Lavocat, Jean-Christophe. (2014). Active photonic devices based on liquid crystal elastomers. 10.13140/RG.2.1.1053.4644.

圖6 液滴

Nag, Angshuman & Panda, Biswa & Chattopadhyay, Arun. (2005). Performing chemical reactions in virtual capillary of surface tension-confined microfluidic devices. Pramana. 65. 621-630. 10.1007/BF03010450.

圖7 超流噴泉

http://www.zmescience.com/other/feature-post/10-quick-scientific-facts-will-blow-mind/

圖8 體溫計(jì)的細(xì)管 http://www.zjtansuo.com/kexue/article/detail/courseId/c05b011/id/577f4dc1a179de1d/type/article

問

真空中能否存在虹吸現(xiàn)象？

有一根充滿純水的玻璃n形管，其中的一端泡在高處的水中，另一端放在低處，那么水就可以越過不太高的障礙，不斷流向低處，稱為虹吸現(xiàn)象。我們一般用壓強(qiáng)差來解釋這個(gè)現(xiàn)象。

圖10 虹吸現(xiàn)象與解釋，A為虹吸管正中間的一個(gè)薄液片

那么，在存在重力的真空中，假設(shè)翻越的障礙h1不太高，虹吸現(xiàn)象可以繼續(xù)發(fā)生嗎？為什么？歡迎留下你的答案。

來源：中科院高能所

作者：3C 273

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