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云无心

 
 
 

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界面世界之三―――荷叶上的露珠  

2007-09-05 10:53:00|  分类: 案头之山水 |  标签: |举报 |字号 订阅

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荷叶上的露珠历来被当作一道至纯至真的风景,可惜我没能找到比下面这张更好的照片。

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小时候没有见过荷叶,但是我的家乡有很多芋头(不认识下面的芋头叶子没有关系,丝毫不影响吃“香芋扣肉”,芋头就是下面这种植物的地下部分)。芋头叶子上的水珠比荷叶上的露珠更加漂亮,我小的时候甚至喜欢把水洒在芋头叶子上,看那滚来滚去的水珠。要装成文学爱好者的话,大概可以这么写:“水滴带着春天的气息从指间滑落,洒在绿玉般鲜嫩鲜嫩的叶子上,迸散出一个个的晶莹剔透。晨风拂过,摇曳亭亭玉立的叶子,那一颗颗的晶莹剔透也就跳动起来,仿佛钢琴键盘上的精灵,演绎着无声的乐曲。偶尔对着了阳光的那一颗,就散发出炫目的光彩,宛如乐曲的悠扬。。。”(不合逻辑和常理的地方就美其名曰“通感”。)

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其实呢,那本是一个没有玩具的小孩自得其乐的消遣,只是他当时没有想到,若干年后,他会在一个现代化的实验室里一本正经的研究这个露珠的形成:为什么水在荷叶或者芋头的叶子上能够形成滚来滚去的水珠,而在一般的叶子上就不行呢?

上一篇分析过了,一团水在没有重力的情况下会形成一个球。其实,这个状态在地球上也可以见到。看第一幅图荷叶上的露珠,小的那些几乎就是球形。这是因为水珠的重力与直径的立方(体积)成正比,而表面张力与周长成正比。所以,随着水珠的减小,重力的影响越来越小,小到一定地步,表面张力的作用占了统治地位,水珠就呈球形了。对于那些大的水珠来说,重力和表面张力旗鼓相当,互不相让,妥协的结果,水珠就变得扁平。

当然,荷叶上的能够露珠滚来滚去,前提是水不沾在荷叶上。为什么只有少数的一些叶子能够这样呢?

下面的图是一滴水在固体表面上,我们可以看到水滴在固体表面上展开的程度完全决定于标出的角度θ。两种极端情况是,如果这个θ角是180度,那么水滴就完全不会沾在固体上,液体和固体之间只有一个共同的点,没有形成液固的界面;如果θ角是0度,那么水就完全铺开,占据所有的固体表面,而没有气固界面的存在。前一种极端,就是我们看到的荷叶上的露珠,而后一种极端,就是初中化学课本里写的,玻璃器皿洗干净之后“既不聚成水滴,也不成股流下”。这个θ角,被定义为“接触角”。在一个气体、液体和固体同时存在的体系中,它描述了液体能够在固体上铺开的能力。接触角θ越大,则液体铺开的能力越差。

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接触角这个概念比较抽象。不过我们可以从上一篇介绍过的界面张力来理解。界面张力的第二个物理意义:增加界面所需要的能量。按照这个物理意义,不仅是两种不相容的流体之间,气体和固体,液体和固体之间也存在着界面张力。增加气体和固体之间,或者液体和固体之间的界面面积,也伴随着整个体系的能量增加。再看看上面的图,一滴水放在固体表面制造了三种界面:黑色的空气和水的表面,红色的水和固体的界面,还有蓝色的空气和固体的界面。把各自的界面张力乘以界面面积,加起来就得到了整个体系的界面能。

具体的数学游戏就不玩了,我们来看两种极端情况。如果气固界面张力很大而液固界面张力很小,显然上帝倾向于把水滴完全铺开,(谁都喜欢干省力气的活),这就是洗干净的普通玻璃的情况。相反,如果液固界面张力很大而气固界面张力很小,上帝很倾向于让空气与固体接触而让液体一边呆着,这就是荷叶芋头叶的情况。而中间的情况,气固和液固两个界面张力谁也没能一统天下,接触角q就是双方妥协划分势力范围的结果。其背后的决定因素还是上帝喜欢省力气,即整个体系的表面能最低。在具体划分的时候,空气和液体之间的表面张力也会跳出来插一杠子,所以接触角q是由固体、液体、气体三方相互之间的界面张力来决定的。

在生产上,接触角更多的场合是固体颗粒能否分散到液体中去的问题。使用类似的力学平衡会发现,固体分散的难易取决于上面定义的接触角q。如下图所示,接触角q很大时,固体拒绝进入液体中(水性不好,俗称旱鸭子);而接触角q很小时,固体颗粒很高兴进入液体中(潜水爱好者)。

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在学校的时候,有一个食品公司开发一种功能饮料。有一种人体所需的微量元素很活泼,直接加到食品饮料中会与其它成分反应。他们使用某种油脂包裹这种微量元素,因为这种微量元素比水重而油脂比水轻,所以可以通过调节包裹的厚度使整个颗粒密度与水相同。当他们做出这样的颗粒之后,发现这些颗粒根本不能进入水中。他们知道这是接触角的问题,但是不知道怎么解决,就找到了我老板,于是我就为他们做了一年的这个项目。

其实办法并不复杂。直接测量颗粒在水面的接触角很难,但是正如前面所说,水在固体表面的接触角和颗粒在水面上的一样。所以,我们的方案就是用那种油脂涂玻璃片表面,然后用含了不同成分的水去处理油脂表面,然后测量饮料溶液在油脂表面的接触角,找到接触角最小的配方。折腾了几个月,最后可以把接触角降到很小。

当我们把他们的颗粒放进找到的配方水里,那些颗粒确实都能进到水里被水打湿。但是,那个产品实际上还是失败了。因为那些颗粒只能做到平均密度与水相同,实际上是有的密度比水稍大,有的稍小。而这些颗粒直径又没有小到可以忽略重力影响的地步。当接触角的问题解决之后,重力的影响就出现了。这也是新产品开发中经常遇到的问题,俗话说就是“按下了葫芦又起了瓢”。

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