水的魔法︰表面张力不败之谜｜星岛教室
发布时间：14:43 2025-05-08 HKT
你是否曾经看见一枚硬币轻轻放在装满水的杯子上，它居然漂浮在水面上？或者当你欣赏清晨的露珠时，是否注意到它们总是以近乎完美的圆形停留在叶片上，而不会散开？这些看似普通的现象背后，其实有一个重要的科学原理——表面张力。今天，表面张力不再只是耳熟能详的课堂理论，它已经成为解决环境问题、推动科技创新、甚至改善我们日常生活的关键因素。让我们一起走进这个神奇的世界，看看它是如何改变我们的未来！
何谓「表面张力」？
「表面张力」是一种由分子间的吸引力产生的现象。试想像︰水分子就像一群手牵手的孩子，紧紧抓住彼此的手。水分子之间的这股「牵手力」就是分子间的吸引力。例如，当你装满一杯水时，水面似乎可以稍微隆起，像一个小拱桥，却不会溢出来。这正是水表面的分子由于缺少上方的「伙伴」，会更紧密地拉住周围的分子，形成一层像弹性薄膜一样的结构，这就是表面张力。如果没有表面张力，水就会像散沙一样四处流淌，而不是形成稳定的水滴或支撑轻量物体。这种看似微不足道的力量，却能够支持小昆虫在水面上行走、让雨滴保持圆形，甚至为现代科技带来革命性的突破。
小实验
材料：1杯水、1枚回纹针、1张纸巾
步骤：
- 将水装满杯子，几乎满到溢出。
- 把回纹针放在纸巾上，然后将纸巾缓慢放在水面。
- 当纸巾沉入水中时，回纹针会漂浮在水面上。
原理：回纹针本身密度比水高，但水的表面张力形成了一层薄膜，支撑着回纹针的重量。
触手可及的生活科学
表面张力一直融入日常生活，为我们的生活带来便利：
- 洗洁精与油污：你是否注意到，洗洁精可以轻易去除餐具上的油污？这是因为洗洁精能降低水的表面张力，让水分子更容易渗透到油污中，将它们分解并冲走。这样，餐具才可变得干净。
- 肥皂泡的艺术：肥皂水降低了表面张力，使水膜变得有弹性，能够形成五彩缤纷的肥皂泡。
- 墨水笔的流畅书写：当你用墨水笔书写的时候，墨水能够自然地流向纸张，这背后正是表面张力在发挥作用。它保证了墨水均匀地流出，让书写变得流畅而不会漏墨。
不同液体的表面张力
虽然我们经常观察到水的表面张力，但其他液体也有表面张力，只是强弱不同。例如：
- 水银：表面张力非常高（约485 mN/m），因此它能形成近乎完美的球状滴（下图），即使放在光滑的表面上也不会散开。
- 酒精：表面张力比水低（约22 mN/m），因此酒精滴在表面时更容易扩散开来，而不是形成稳定的水珠。
- 油：例如橄榄油和植物油，它们的表面张力低于水，这就是为甚么油能在水面上扩散，并且能破 坏水的表面张力，防止小昆虫在水面行走。
现代科技应用
1.医疗：微流控技术
时至今日，「微流控技术」已成为医疗行业的标准技术之一。它利用表面张力来精准控制微量液体的流动，让疾病检测和药物制造更高效。例如：
家庭用快速检测仪：只需一滴血液，微流控设备即通过表面张力将液体引导到检测芯片上，快速分析健康数据，如血糖水平或基因检测结果。
疫苗制造：微流控技术帮助科学家精准混合液体成分，大幅提高疫苗的生产速度和品质。
2. 生活：仿生超疏水材料
科学家通过模仿荷叶的表面结构，设计出超疏水材料。这些材料能有效排斥水分，并在建筑、交通、电子产品等领域得到广泛应用：
防水建筑涂层：在现今的城市建筑中，超疏水材料被用于外墙涂层，不仅防水，还可防止灰尘堆积，实现自洁功能。
防水电子设备：最新款智能手机利用超疏水技术保护内部电路，即使掉入水中亦可正常工作。
3. 环保：清理漏油及集雨
随着全球对环境保护的关注加剧，表面张力的应用正在帮助人类解决许多棘手的问题：
漏油清理：科学家开发了一种基于表面张力的吸油材料，能选择性吸附油污而不吸水，成为海洋漏油事故中的救星。
雨水收集系统：一些干旱地区正在使用模仿露珠原理的装置，通过表面张力将空气中的水分子凝结成水滴，便可以提供清洁的饮用水。
从自然奇观到高科技应用，表面张力为我们揭示了一个无形却充满力量的世界。在今天，它已经成为解决环境问题、推动医疗创新和改变生活方式的重要工具。下一次，当你看到一滴水、一个泡泡，甚至一片叶子上的露珠时，不妨停下来想想，这背后的科学可能就是未来改变世界的关键。
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小思考，大智慧
- 为甚么水黾能在水面上行走？
- 洗洁精如何去除油污？
参考答案
- 水黾的脚表面覆盖蜡质，重量轻且不破坏水的表面张力，让牠能「漂浮」在水面上。
- 洗洁精降低了水的表面张力，让水分子更容易渗透进油脂，将油污分解并冲走。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：中华基督教会铭贤书院科技教育领域及STEAM统筹主任陈炳耀
