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(xiàn)湯里漂浮的油滴大都是圓形的。那么，為什么生活中見到的小油滴在水中呈現(xiàn)的是圓形，而不是四邊形、五邊形抑或是多邊形？在水中有沒有可能呈現(xiàn)出多邊形的油滴呢？且聽我們一一道來。

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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?yàn)橛秃退幌嗳?。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渡區(qū)稱為界面，如氣-固、氣-液、固-固、固-液及液-液界面。我們習(xí)慣將其中的氣-液和氣-固界面稱為表面，其余稱為界面。二者并無嚴(yán)格區(qū)分，常常通用。

那么，對(duì)于任何一個(gè)表面，處在物質(zhì)表面層（也稱“表面相”）的分子，與內(nèi)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(nèi)部分子。

液體內(nèi)部分子A與周圍分子的作用力是對(duì)稱的，相互抵消，合力為零，因此A在液體內(nèi)部移動(dòng)時(shí)不需要做功。而對(duì)于表面分子B，與表面下的水分子相互的作用力強(qiáng)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(duì)稱的力場(chǎng)中，形成了一股指向內(nèi)部的合力，此力力圖將其拉回液體的內(nèi)部。

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當(dāng)有內(nèi)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(duì)分子的影響做功，這時(shí)分子能量增加，意味著B比A具有更多的能量。

而高能量的系統(tǒng)總是有趨于更穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)，因此B就會(huì)自動(dòng)收縮其表面積以達(dá)到穩(wěn)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且指向表面內(nèi)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曲面的切線方向。

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，圓形是邊長最小的幾何圖形，因此油滴在水中呈現(xiàn)圓形。

確定地說，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(xiàn)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、高于杯面卻沒溢出的水、在水面上滑行奔跑的水黽等。

常見的固-液之間的生活現(xiàn)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(xiàn)表面收縮的趨勢(shì)。

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，可見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，也是通過表面張力的原理來去除污垢、清潔衣物的。

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在工業(yè)上，用于測(cè)定表面張力的表面張力儀最常見的應(yīng)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(yī)藥、農(nóng)業(yè)、電力、石油和化妝品等十多個(gè)重要行業(yè)中有所應(yīng)用。

當(dāng)我們結(jié)合實(shí)際現(xiàn)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，滿足我們的需求。

比如，將圓形的油滴通過一些方法變成我們想看到的多邊形油滴！雖然這聽起來不可思議，但是科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做到了！

方形油滴在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)出現(xiàn)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)于這一過程的新研究。

他說：“平衡態(tài)的東西都太無聊了。把系統(tǒng)推離平衡態(tài)，去看看非平衡的結(jié)構(gòu)能不能被控制、能不能被利用，卻很有意思”。

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在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)將油與多種具有不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的液體混合后，通過施加電場(chǎng)，界面發(fā)生剪切，會(huì)脫離平衡狀態(tài)，產(chǎn)生有趣的結(jié)構(gòu)。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(dǎo)下形成甜甜圈狀的圓環(huán)，在電場(chǎng)中保持形狀穩(wěn)定。這也是自然條件下不可能做到的——這樣的液體結(jié)構(gòu)會(huì)具有強(qiáng)烈的坍縮趨勢(shì)，填補(bǔ)中心的孔洞。

實(shí)驗(yàn)還實(shí)現(xiàn)了圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的細(xì)絲狀液滴。

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了解本質(zhì)，敢于創(chuàng)新

通過上述課題組的研究，我們能夠創(chuàng)造出在自然界幾乎不可能找到的液體形狀，這為我們帶來了制造動(dòng)態(tài)特定結(jié)構(gòu)的方法。這一結(jié)構(gòu)不僅能夠通過電壓的開關(guān)來控制，還對(duì)進(jìn)一步探索電壓控制的光學(xué)設(shè)備提供可能性。

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

未來，相信會(huì)有越來越多的新方向等待被開發(fā)。

科學(xué)其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，只要你細(xì)心觀察，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(xiàn)生活的美，再告訴人們?cè)鯓幽軌騽?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(jié)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(nèi)版Bing images；

5.洗衣服-國內(nèi)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)）