一场酣畅淋漓的大雨之后，
荷塘又恢复了往日的平静。
水滴落在荷叶上，
享受午后的阳光。
一阵风吹过，
荷叶微微抖动，
水滴快乐地在树叶上滚动...
看似和谐的画面背后，
这是几亿年来分子间的宿怨，
也是永远无法化解的壁垒！
所有这些，
一切都始于一个熟悉的名词，
表面张力。
第一部分:强迫，而不是简单的迎合。
熟悉物理的朋友一定很熟悉身边的力:重力、弹性、支撑力、库仑力...每次提到一个力的名字，大部分人脑海里都能浮现出一个示意图，你推我挤，你在两个相互作用的物体之间拉拉扯扯。
图1重力和支撑力示意图
这种理解虽然直观，但缺乏更深层次的视角，没有办法真正理解什么是表面张力。那我该怎么办？我们来看看力对应的能量。以重力为例。你可能听说过引力势能，也就是地球附近的物体因为处于一定高度而包含的能量。更直观地说，如果把地面作为势能的零点，物体在重力作用下落到地面释放的能量就是重力势能。
图2重力势能对比
如图2所示，如果边肖从相对较低的某某峰和相对较高的某某峰推下同一块石头，哪个释放的引力势能大？显然是从更高的某某峰开始变大的。那么，大多少？
如果我们忽略重力随高度的变化，也就是我们认为石头的重力是一个常数G，那么答案就是:
其中D1是两个峰之间的高度差。稍微变形一下，我们就能得到
这说明引力是单位高度的引力势能的变化！同样，弹簧弹性是单位伸长长度弹性势能的变化，分子间力是单位分子间距离长度系统势能的变化...本来任何势能对应的力都可以这样理解。
此时，边肖优雅地问道:那么，什么是表面张力？
读者异口同声地回答:表面每单位面积带来的表面能变化！
鼓掌之后我问:什么是表面能？表面张力是什么方向的？
读者沉默了，期待着边肖...
第二部分:紧张只是吹泡泡。
其实上面提到的问题，从维度上就可以直观的看出来。我们都接触过做功的概念。功的单位和能量一样，都是焦耳J，而功是作用在物体上的某个力和物体在该力的方向上移动的距离(单位为m)的乘积，即1j = 1n m，那么，力的单位除了N还可以写成J/m，即每移动1m所引起的能量的变化。
但是有一个物理量量纲J/m2，代表单位面积的能量，这个物理量就是比表面能。比表面能是一个涉及分子间相互作用的概念，我们需要从微观的角度去理解。
图3氮和水分子之间的势能图
微观世界有各种各样的分子，比如上图所示的氮气和水分子。分子组成的系统的势能与分子间的距离有关。这种关系就像两个人的关系一样。近也不好，远也不好。如果距离太近，两者之间没有自我空间，情绪会不稳定，所以会产生相互排斥的效果；如果距离太远，大家都太孤独，就会互相想念，互相吸引。当彼此之间的距离恰到好处时，对应能量的最低点，相对稳定。
图4水-空气界面示意图
然而，这种关系的稳定性与双方的分子种类有关。如图4所示，对于水-空气界面，表面水分子周围存在多种分子。除了其他水分子之外，空气中还有氧、氮和其他分子。
图5内部水和地表水的对比
俗话说“物以类聚”，同类的相似分子越多，往往关系越融洽，而不同分子之间的关系则相对疏远。物理上，相似分子间势能曲线的最低点更低。所以，对于一个存在于内部的水分子来说，如果到了表面，就需要断开与同类分子的一些关系，用相对“陌生”的空气分子来代替，这显然是不情愿的！这体现在能量的增加上。那么，水分子是在什么情况下从内部来到表面的呢？吹泡泡的时候到了。
图6吹泡过程示意图
把戒指浸在肥皂水里。肥皂水的体积基本不变。当我们吹入空气使气泡的表面积变大时，自然气泡的厚度就会变薄。进一步的解释是，更多的水分子会从内部来到表面，这个过程是内部分子所不愿意的，所以会带来能量的增加。那么，表面单位面积的能量增量是多少呢？这个值就是比表面能。
图7表面积的增加伴随着肥皂泡的变薄。
我们曾经提到过，比表面能的单位是J/m2，从力的角度来理解这个物理量，对于处理一些问题更直观。我们经常把比表面能称为表面张力。而J/m2 = N/m，不是力的单位N，所以表面张力代表的是单位长度作用在表面上的力。下图所示的实验中，肥皂水膜在力F的拉动下生长，表面张力为
其中，分母中的2来自于两侧曲面的外观。
那么表面张力的方向是什么呢？我们还类比重力、弹性和其他力。回过头来，我们不难发现，如果把表面张力理解为单位面积变形引起的能量增加，那么对应的力应该是指向能量减少的方向。对于表面张力，自然是表面沿着切线收缩的方向。
图9表面张力的方向
第三部分:对球形、张力和重力的追求
在这部分开始之前，先问一个问题:失重状态下，液滴会呈现什么形状？
稍微回忆一下，看过太空授课的读者应该都会想到悬浮在太空中的球形水滴。
图10空间教学图片截图
没错，失重环境下的液滴是球形的，因为在一定体积内，球体的表面积最小，所以球形液滴的总表面能最低。那么，在重力的情况下呢？
图11表面分子倾向于进入内部。
在液滴表面，每个分子都会受到沿切线方向的表面张力，相当于每个分子都在拉动周围分子(比如B)的作用。B周围表面分子的合力指向内部，有进入内部的趋势。这种张力的作用使液滴尽可能接近球形，也就是说，它们具有尽可能小的表面积。然而，重力扮演着另一个角色。
图12重力的影响
引力的作用是希望每个水分子越低越好。显然，近似球形并不是重力势能最低的形状。所以表面张力和重力是有竞争的。
图13重力和张力之间的竞争
不难想象，如果张力很强，液滴会保持近似球形而不塌陷。如果张力太弱，无法与重力抗衡，液滴就会破裂。回到吹泡泡的问题，我们通常用肥皂水而不是纯水来蘸的原因是纯水的表面张力太小，无法和液膜的重力抗衡。但是在太空中，重力不再起作用，水膜可以稳定存在！
图14太空中的水膜
再者，它涉及到一个问题:不同物质的表面张力有什么关系？定性的话，可以引入一个概念叫做亲和力，它反映了物质在界面两侧的亲和力。如果两边的物质都很友好，那么留在里面和留在表面其实差别不大。毕竟大家相处，所以表面张力比较小。反之，如果双方的物质关系很疏远，表面张力就会很大。而这就是渗透的根源。
第4部分:分子间的渗透、爱与恨
渗透现象，这个词可能大家都不熟悉，但相应的物理现象却很常见。比如下图所示的防水衣和公交车车窗上的水滴，就是不渗透和渗透的代表性场景。
图15生活中的渗透和不渗透现象
仔细看上面的场景，我们发现不是只有两种物质，而是三种——一种作为底物的固体，一种环境中的液体和气体。因此，我们所面临的渗透问题所涉及的界面不是一种，而是三种成对组成的界面。
图16物质间关系示意图
自然，表面张力会存在于任何界面上，其大小与两个物种的相对亲和力有关，沿着界面的方向指向使界面收缩的方向。最终的状态需要平衡这三个力的分量。
图17三个界面的界面张力竞争
对于浸润的情况，液固关系很好，界面处的表面张力在极端情况下可以认为是可以忽略的。这样红蓝力的水平分量需要平衡，液滴的形状趋于扁平。一般将气液界面张力与液固界面张力之间的夹角称为接触角，有明显润湿现象的亲水表面接触角很小。
图18渗透的显微示意图
相反，对于疏水表面，固液界面的表面张力可能大到接触角只能达到钝角甚至接近180°，称为不润湿或不润湿。这种表面因其高疏水性而被称为超疏水表面。
图19未润湿的微观示意图
至此，有些读者可能已经猜到，荷叶表面是一种天然的超疏水物质，所以荷叶表面的水是近球形的。
图20自然界的超疏水现象
不仅在自然界，在实验室中，科学家们还制备了超疏水或超亲水表面，效果更加显著。比如极端的不湿润和湿润现象如下图所示。
夜幕降临，
一阵晚风吹来，
荷叶剧烈地抖动着，
几滴水滚落在池塘里，
有涟漪。
一只水黾滑过水面，
只有几次，
消失在白色的月光中。
它哪里知道，
举起身体，
神奇的表面张力...
参考资料:
朱之昂，阮。物理化学。第六版(M)。科学出版社。
超疏水/超亲水表面改性-用于各种塑料
编辑:云开叶落。
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