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1.失重與(yu) 書(shu) 寫(xie)

當宇航員進入太空時，傳(chuan) 統的鋼筆、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(shu) 寫(xie) ，但微小的導體(ti) 石墨粉可能帶來災難性的後果。現代的太空筆依靠氣壓將墨水壓出。在神舟十三號的飛行任務中，翟誌剛攜帶中國傳(chuan) 統文房四寶進入空間站，將中華兒(er) 女骨子裏的劍膽琴心展現得淋漓盡致。

圖1 神舟十二號航天員劉伯明在【開學第一課】中揮毫寫(xie) 下“理想”二字

且慢，為(wei) 什麽(me) 別的水筆不能用，毛筆這誕生於(yu) 先秦的古老文具，能在21世紀的星海探險中發揮作用？

要回答這個(ge) 問題，我們(men) 要首先思考一番，毛筆是怎麽(me) 書(shu) 寫(xie) 的。答案看起來很簡單：毛筆上麵吸收了墨水，在筆尖與(yu) 紙張接觸的時候，墨水就從(cong) 筆尖轉移到了紙上。但是，如果深入思考，為(wei) 什麽(me) 隻有當毛筆接觸到紙張時，墨水才發生轉移，其他時候呢？

圖2 舔筆，如果蘸墨太多，就可以用硯台邊緣把多餘(yu) 的墨水刮掉

實際上，墨水自動發生轉移也是常有的事情。初學者有時候會(hui) 一口氣蘸上太多的墨水，墨水就會(hui) 從(cong) 筆尖上滴下來。毛筆蘸墨時會(hui) 有特殊的技巧：隻需把筆尖的一部分浸入墨中，這樣可以保證隻吸入適量的墨水，墨水就不會(hui) 從(cong) 筆尖滴落。所以，一支毛筆能留住的墨水，有一個(ge) 上限。

2.一股神奇的力

透過現象看本質，既然毛筆可以留住墨水，那麽(me) 一定有一個(ge) 機製來克服重力，這個(ge) 機製會(hui) 是什麽(me) 呢？我們(men) 不妨看一看墨水分子受到哪些力。由於(yu) 毛筆筆尖是一個(ge) 開放的區域，各處的大氣壓是平衡的，於(yu) 是隻需要考慮重力與(yu) 分子之間的相互作用。分為(wei) 兩(liang) 種，一部分是液體(ti) 分子之間的互相作用，而另一部分是液體(ti) 與(yu) 容器壁分子之間的相互作用，使液體(ti) 黏附或者疏離。兩(liang) 種相互作用都有摩擦力，微觀上體(ti) 現為(wei) 電磁相互作用，如果在宏觀上結合起來，就帶來一種叫做毛細現象的神奇現象。

毛細現象是指，將一根毛細管浸入液體(ti) 中，相比管外液麵，管內(nei) 液麵會(hui) 自發向上或向下發生移動。對於(yu) 生活中常見的液體(ti) ，例如水和酒精，它們(men) 在細管中均會(hui) 上升。在化學實驗配置溶液時，使用量筒讀數時，視線應與(yu) 凹液麵最低處或者凸液麵最高處平行。對於(yu) 凹液麵，由於(yu) 水能浸潤玻璃，因此會(hui) 被吸附在容器邊緣，再由於(yu) 表麵張力而沿著器壁自發移動，體(ti) 現為(wei) 上升，從(cong) 而體(ti) 現為(wei) 邊緣高，中心矮。

圖3 不同液體(ti) 中的玻璃毛細管

量筒中的水銀則反之：由於(yu) 水銀不能浸潤玻璃，從(cong) 而有強烈的趨勢“逃離”容器壁，表現為(wei) 下降。當粗大的量筒不斷變細，細到液麵發生變化的尺度，已經與(yu) 管的直徑相當，此時細管內(nei) 的液體(ti) 將整體(ti) 發生移動。管越細，液麵上升或下降就越顯著，因此得名為(wei) 毛細效應。

3.毛細現象的背後

毛細現象第一眼看上去很違反直覺。人們(men) 常說，“水往低處流”，為(wei) 什麽(me) 水可以自發往高處移動？能量守恒定理告訴我們(men) ，能量不會(hui) 憑空產(chan) 生或消失，液柱上升的過程伴隨重力勢能的增大，因此一定能找到另一種能量，在這個(ge) 過程中是降低的。沒錯，這種能量來自液體(ti) 的表麵張力。

首先考慮液體(ti) -氣體(ti) （或者真空）的交界麵。在界麵兩(liang) 側(ce) ，液體(ti) 分子的組合形式有很大的差異。

圖4 液體(ti) 與(yu) 界麵處的分子有不同的相互作用大小

在液體(ti) 表麵與(yu) 內(nei) 部，液體(ti) 分子之間形成的相互作用很不相同。表麵的液體(ti) 分子互相連接更少，相互作用更弱，於(yu) 是兩(liang) 側(ce) 受力不均。在這種受力不均的情況下，內(nei) 部受力較大，將自發向外部“突出”，於(yu) 是在不受重力的情況下，一團液體(ti) 將呈現球形。在這種情況下，表麵張力將使液體(ti) 分界麵變彎，使之達到能量最低的穩定狀態。

而在液-固交界麵，除了液體(ti) 分子相互作用的作用力，液體(ti) 分子與(yu) 固體(ti) 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，通常可以用萊納德-瓊斯勢表示：

圖5 分子間相互作用與(yu) 距離的關(guan) 係

對於(yu) 液體(ti) 與(yu) 固體(ti) 分子之間的典型距離，二者之間存在互相吸引的相互作用。如果液麵與(yu) 固體(ti) 的吸引力超過液體(ti) 分子之間的吸引力，我們(men) 就認為(wei) ，固體(ti) 表麵可以吸附住液滴，叫做浸潤。例如水能浸潤玻璃，但不能浸潤蠟燭。但如果液體(ti) 分子之間的相互作用更強，例如水銀原子之間的相互作用強於(yu) 水銀與(yu) 玻璃分子之間的相互作用，液體(ti) 就不能浸潤固體(ti) 。

圖6 液滴在固體(ti) 表麵的形式，化學實驗中，燒杯要洗到呈現水膜（a），不能聚成水滴或成股流下(b、c)，就利用了浸潤原理

綜合液體(ti) 分子之前的相互作用，以及液體(ti) 分子與(yu) 外部固體(ti) 分子的相互作用，我們(men) 就得到了表麵張力，並依據這兩(liang) 種相互作用的大小，將液體(ti) -固體(ti) 分為(wei) 浸潤與(yu) 否兩(liang) 類。

問題的解答就是這樣。毛細現象實際上要求達到一種平衡：液體(ti) 分子相互作用，與(yu) 液體(ti) 與(yu) 表麵相互作用的平衡。在達到這個(ge) 平衡的過程中，液體(ti) 表麵會(hui) 發生變形。毛筆的材料，獸(shou) 毛，也就是蛋白質，像玻璃一樣可以被水浸潤。由於(yu) 分子間相互作用不受重力影響，毛細現象在空間站裏麵自然也可以發生，於(yu) 是毛筆在失重條件下，也可以一如既往地吸入墨水，並正常書(shu) 寫(xie) 了。

4. 毛細現象的利用

從(cong) 毛細現象的描述，我們(men) 可以直接得到兩(liang) 個(ge) 推論：

1. 由於(yu) 阻力的存在，毛細現象並不能用來持續做功，一切“永動機”都是不可能實現的。

2. 如果沒有摩擦力，那麽(me) 毛細管將不斷把液體(ti) 吸到高處，直到充滿整根管子或者從(cong) 頂部噴出。

2正是著名的“超流”現象。超流是一類宏觀的量子現象，其原理較為(wei) 複雜，本文不再詳細描述。從(cong) 直觀上講，超流體(ti) 的特征是流動時不受到阻力，它和正常流體(ti) 之間在微觀結構上存在巨大的差異，像液態-氣態那樣，分屬於(yu) 不同的物態。特定溫度下的液氦就屬於(yu) 這樣的超流體(ti) ，它們(men) 可以從(cong) 毛細管中噴出，形成噴泉。

圖7 超流液氦噴泉

液氦噴泉仍然滿足能量守恒：當液氦從(cong) 毛細管中噴出後，容器裏的液氦溫度會(hui) 上升，這個(ge) 現象被稱為(wei) “機械熱效應”。當超流液氦被加熱到特定溫度，也就是大約零下271℃（準確來說，大約是2.18K）時，超流液氦變成普通液氦，噴泉停止工作。整個(ge) 過程相當於(yu) 原來的化學能（本質上是電磁相互作用的勢能）變成了重力勢能與(yu) 動能，而後再變為(wei) 化學能。

另外非浸潤也有強大的利用價(jia) 值，例如水銀與(yu) 玻璃。將水銀倒入量筒中，它的液麵向上凸起，表明水銀會(hui) 自發沿著玻璃壁下降。因為(wei) 這個(ge) 性質，在玻璃毛細管中，水銀會(hui) 下降，而不是像水那樣上升。這個(ge) 性質被人們(men) 利用在體(ti) 溫計製作中：體(ti) 溫計的玻璃液泡與(yu) 測量管之間有一條很狹窄的細管。

圖8 體(ti) 溫計液泡與(yu) 測量段之間的細管，水銀柱在這裏很容易被拉斷

當測量溫度結束後，體(ti) 溫計被拿到空氣中，液泡溫度迅速下降，導致水銀收縮。由於(yu) 毛細現象，彎管處細液柱被折斷，使進入測量管的水銀無法回到液泡，於(yu) 是體(ti) 溫計一旦離開人體(ti) ，示數就不再發生變化了。

對於(yu) 那些極端憎水的材料，液體(ti) 與(yu) 容器壁之間吸引力很小，液滴就可以在表麵自由滾動。荷葉表麵充滿納米尺度的凸起，這些凸起導致水無法浸潤荷葉，讓水滴不會(hui) 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

當我們(men) 放眼星辰大海時，前人那些充滿創意的智慧也在看著我們(men) 。期待三位宇航員能平安愉快地度過太空中的半年，並創作出與(yu) 地麵上一樣精美的書(shu) 法作品。

圖片來源

圖4 分子排列

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

圖5 勢能曲線

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

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

圖8 體(ti) 溫計的細管 https://www.zjtansuo.com/kexue/article/detail/courseId/c05b011/id/577f4dc1a179de1d/type/article

問

真空中能否存在虹吸現象？

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，那麽(me) 水就可以越過不太高的障礙，不斷流向低處，稱為(wei) 虹吸現象。我們(men) 一般用壓強差來解釋這個(ge) 現象。

圖10 虹吸現象與(yu) 解釋，A為(wei) 虹吸管正中間的一個(ge) 薄液片

那麽(me) ，在存在重力的真空中，假設翻越的障礙h1不太高，虹吸現象可以繼續發生嗎？為(wei) 什麽(me) ？歡迎留下你的答案。

來源：中科院高能所

作者：3C 273

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