水的魔法︰表面張力不敗之謎｜星島教室
發佈時間：14:43 2025-05-08 HKT
你是否曾經看見一枚硬幣輕輕放在裝滿水的杯子上，它居然漂浮在水面上？或者當你欣賞清晨的露珠時，是否注意到它們總是以近乎完美的圓形停留在葉片上，而不會散開？這些看似普通的現象背後，其實有一個重要的科學原理——表面張力。今天，表面張力不再只是耳熟能詳的課堂理論，它已經成為解決環境問題、推動科技創新、甚至改善我們日常生活的關鍵因素。讓我們一起走進這個神奇的世界，看看它是如何改變我們的未來！
何謂「表面張力」？
「表面張力」是一種由分子間的吸引力產生的現象。試想像︰水分子就像一群手牽手的孩子，緊緊抓住彼此的手。水分子之間的這股「牽手力」就是分子間的吸引力。例如，當你裝滿一杯水時，水面似乎可以稍微隆起，像一個小拱橋，卻不會溢出來。這正是水表面的分子由於缺少上方的「夥伴」，會更緊密地拉住周圍的分子，形成一層像彈性薄膜一樣的結構，這就是表面張力。如果沒有表面張力，水就會像散沙一樣四處流淌，而不是形成穩定的水滴或支撐輕量物體。這種看似微不足道的力量，卻能夠支持小昆蟲在水面上行走、讓雨滴保持圓形，甚至為現代科技帶來革命性的突破。
小實驗
材料：1杯水、1枚回紋針、1張紙巾
步驟：
- 將水裝滿杯子，幾乎滿到溢出。
- 把回紋針放在紙巾上，然後將紙巾緩慢放在水面。
- 當紙巾沉入水中時，回紋針會漂浮在水面上。
原理：回紋針本身密度比水高，但水的表面張力形成了一層薄膜，支撐着回紋針的重量。
觸手可及的生活科學
表面張力一直融入日常生活，為我們的生活帶來便利：
- 洗潔精與油污：你是否注意到，洗潔精可以輕易去除餐具上的油污？這是因為洗潔精能降低水的表面張力，讓水分子更容易滲透到油污中，將它們分解並沖走。這樣，餐具才可變得乾淨。
- 肥皂泡的藝術：肥皂水降低了表面張力，使水膜變得有彈性，能夠形成五彩繽紛的肥皂泡。
- 墨水筆的流暢書寫：當你用墨水筆書寫的時候，墨水能夠自然地流向紙張，這背後正是表面張力在發揮作用。它保證了墨水均勻地流出，讓書寫變得流暢而不會漏墨。
不同液體的表面張力
雖然我們經常觀察到水的表面張力，但其他液體也有表面張力，只是強弱不同。例如：
- 水銀：表面張力非常高（約485 mN/m），因此它能形成近乎完美的球狀滴（下圖），即使放在光滑的表面上也不會散開。
- 酒精：表面張力比水低（約22 mN/m），因此酒精滴在表面時更容易擴散開來，而不是形成穩定的水珠。
- 油：例如橄欖油和植物油，它們的表面張力低於水，這就是為甚麼油能在水面上擴散，並且能破 壞水的表面張力，防止小昆蟲在水面行走。
現代科技應用
1.醫療：微流控技術
時至今日，「微流控技術」已成為醫療行業的標準技術之一。它利用表面張力來精準控制微量液體的流動，讓疾病檢測和藥物製造更高效。例如：
家庭用快速檢測儀：只需一滴血液，微流控設備即通過表面張力將液體引導到檢測芯片上，快速分析健康數據，如血糖水平或基因檢測結果。
疫苗製造：微流控技術幫助科學家精準混合液體成分，大幅提高疫苗的生產速度和品質。
2. 生活：仿生超疏水材料
科學家通過模仿荷葉的表面結構，設計出超疏水材料。這些材料能有效排斥水分，並在建築、交通、電子產品等領域得到廣泛應用：
防水建築塗層：在現今的城市建築中，超疏水材料被用於外牆塗層，不僅防水，還可防止灰塵堆積，實現自潔功能。
防水電子設備：最新款智能手機利用超疏水技術保護內部電路，即使掉入水中亦可正常工作。
3. 環保：清理漏油及集雨
隨着全球對環境保護的關注加劇，表面張力的應用正在幫助人類解決許多棘手的問題：
漏油清理：科學家開發了一種基於表面張力的吸油材料，能選擇性吸附油污而不吸水，成為海洋漏油事故中的救星。
雨水收集系統：一些乾旱地區正在使用模仿露珠原理的裝置，通過表面張力將空氣中的水分子凝結成水滴，便可以提供清潔的飲用水。
從自然奇觀到高科技應用，表面張力為我們揭示了一個無形卻充滿力量的世界。在今天，它已經成為解決環境問題、推動醫療創新和改變生活方式的重要工具。下一次，當你看到一滴水、一個泡泡，甚至一片葉子上的露珠時，不妨停下來想想，這背後的科學可能就是未來改變世界的關鍵。
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小思考，大智慧
- 為甚麼水黽能在水面上行走？
- 洗潔精如何去除油污？
參考答案
- 水黽的腳表面覆蓋蠟質，重量輕且不破壞水的表面張力，讓牠能「漂浮」在水面上。
- 洗潔精降低了水的表面張力，讓水分子更容易滲透進油脂，將油污分解並沖走。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：中華基督教會銘賢書院科技教育領域及STEAM統籌主任陳炳耀
