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失重与书写

当宇航员进入太空时，传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖，因而无法使用。铅笔虽然可以正常书写，但微小的导体石墨粉可能带来灾难性的后果。现代的太空笔依靠气压将墨水压出。在神舟十三号的飞行任务中，翟志刚携带中国传统文房四宝进入空间站，将中华儿女骨子里的剑胆琴心展现得淋漓尽致。

▲图1 神舟十二号航天员刘伯明在【开学第一课】中挥毫写下“理想”二字

且慢，为什么别的水笔不能用，毛笔这诞生于先秦的古老文具，能在21世纪的星海探险中发挥作用？

要回答这个问题，我们要首先思考一番，毛笔是怎么书写的。答案看起来很简单：毛笔上面吸收了墨水，在笔尖与纸张接触的时候，墨水就从笔尖转移到了纸上。但是，如果深入思考，为什么只有当毛笔接触到纸张时，墨水才发生转移，其他时候呢？

▲图2 舔笔，如果蘸墨太多，就可以用砚台边缘把多余的墨水刮掉

实际上，墨水自动发生转移也是常有的事情。初学者有时候会一口气蘸上太多的墨水，墨水就会从笔尖上滴下来。毛笔蘸墨时会有特殊的技巧：只需把笔尖的一部分浸入墨中，这样可以保证只吸入适量的墨水，墨水就不会从笔尖滴落。所以，一支毛笔能留住的墨水，有一个上限。

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一股神奇的力

透过现象看本质，既然毛笔可以留住墨水，那么一定有一个机制来克服重力，这个机制会是什么呢？我们不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛笔笔尖是一个开放的区域，各处的大气压是平衡的，于是只需要考虑重力与分子之间的相互作用。分为两种，一部分是液体分子之间的互相作用，而另一部分是液体与容器壁分子之间的相互作用，使液体黏附或者疏离。两种相互作用都有摩擦力，微观上体现为电磁相互作用，如果在宏观上结合起来，就带来一种叫做毛细现象的神奇现象。

毛细现象是指，将一根毛细管浸入液体中，相比管外液面，管内液面会自发向上或向下发生移动。对于生活中常见的液体，例如水和酒精，它们在细管中均会上升。在化学实验配置溶液时，使用量筒读数时，视线应与凹液面最低处或者凸液面最高处平行。对于凹液面，由于水能浸润玻璃，因此会被吸附在容器边缘，再由于表面张力而沿着器壁自发移动，体现为上升，从而体现为边缘高，中心矮。

▲图3 不同液体中的玻璃毛细管

量筒中的水银则反之：由于水银不能浸润玻璃，从而有强烈的趋势“逃离”容器壁，表现为下降。当粗大的量筒不断变细，细到液面发生变化的尺度，已经与管的直径相当，此时细管内的液体将整体发生移动。管越细，液面上升或下降就越显著，因此得名为毛细效应。

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毛细现象的背后

毛细现象第一眼看上去很违反直觉。人们常说，“水往低处流”，为什么水可以自发往高处移动？能量守恒定理告诉我们，能量不会凭空产生或消失，液柱上升的过程伴随重力势能的增大，因此一定能找到另一种能量，在这个过程中是降低的。没错，这种能量来自液体的表面张力。

首先考虑液体-气体（或者真空）的交界面。在界面两侧，液体分子的组合形式有很大的差异。

▲图4 液体与界面处的分子有不同的相互作用大小

在液体表面与内部，液体分子之间形成的相互作用很不相同。表面的液体分子互相连接更少，相互作用更弱，于是两侧受力不均。在这种受力不均的情况下，内部受力较大，将自发向外部“突出”，于是在不受重力的情况下，一团液体将呈现球形。在这种情况下，表面张力将使液体分界面变弯，使之达到能量最低的稳定状态。

而在液-固交界面，除了液体分子相互作用的作用力，液体分子与固体分子（原子）的相互作用也变得不可忽视。分子之间的相互作用，通常可以用莱纳德-琼斯势表示：

▲图5 分子间相互作用与距离的关系

对于液体与固体分子之间的典型距离，二者之间存在互相吸引的相互作用。如果液面与固体的吸引力超过液体分子之间的吸引力，我们就认为，固体表面可以吸附住液滴，叫做浸润。例如水能浸润玻璃，但不能浸润蜡烛。但如果液体分子之间的相互作用更强，例如水银原子之间的相互作用强于水银与玻璃分子之间的相互作用，液体就不能浸润固体。

▲图6 液滴在固体表面的形式，化学实验中，烧杯要洗到呈现水膜（a），不能聚成水滴或成股流下(b、c)，就利用了浸润原理

综合液体分子之前的相互作用，以及液体分子与外部固体分子的相互作用，我们就得到了表面张力，并依据这两种相互作用的大小，将液体-固体分为浸润与否两类。

问题的解答就是这样。毛细现象实际上要求达到一种平衡：液体分子相互作用，与液体与表面相互作用的平衡。在达到这个平衡的过程中，液体表面会发生变形。毛笔的材料，兽毛，也就是蛋白质，像玻璃一样可以被水浸润。由于分子间相互作用不受重力影响，毛细现象在空间站里面自然也可以发生，于是毛笔在失重条件下，也可以一如既往地吸入墨水，并正常书写了。

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毛细现象的利用

从毛细现象的描述，我们可以直接得到两个推论：

1. 由于阻力的存在，毛细现象并不能用来持续做功，一切“永动机”都是不可能实现的。

2. 如果没有摩擦力，那么毛细管将不断把液体吸到高处，直到充满整根管子或者从顶部喷出。

2正是著名的“超流”现象。超流是一类宏观的量子现象，其原理较为复杂，本文不再详细描述。从直观上讲，超流体的特征是流动时不受到阻力，它和正常流体之间在微观结构上存在巨大的差异，像液态-气态那样，分属于不同的物态。特定温度下的液氦就属于这样的超流体，它们可以从毛细管中喷出，形成喷泉。

▲图7 超流液氦喷泉

液氦喷泉仍然满足能量守恒：当液氦从毛细管中喷出后，容器里的液氦温度会上升，这个现象被称为“机械热效应”。当超流液氦被加热到特定温度，也就是大约零下271℃（准确来说，大约是2.18K）时，超流液氦变成普通液氦，喷泉停止工作。整个过程相当于原来的化学能（本质上是电磁相互作用的势能）变成了重力势能与动能，而后再变为化学能。

另外非浸润也有强大的利用价值，例如水银与玻璃。将水银倒入量筒中，它的液面向上凸起，表明水银会自发沿着玻璃壁下降。因为这个性质，在玻璃毛细管中，水银会下降，而不是像水那样上升。这个性质被人们利用在体温计制作中：体温计的玻璃液泡与测量管之间有一条很狭窄的细管。

▲图8 体温计液泡与测量段之间的细管，水银柱在这里很容易被拉断

当测量温度结束后，体温计被拿到空气中，液泡温度迅速下降，导致水银收缩。由于毛细现象，弯管处细液柱被折断，使进入测量管的水银无法回到液泡，于是体温计一旦离开人体，示数就不再发生变化了。

对于那些极端憎水的材料，液体与容器壁之间吸引力很小，液滴就可以在表面自由滚动。荷叶表面充满纳米尺度的凸起，这些凸起导致水无法浸润荷叶，让水滴不会停留在这种水生植物的叶子上。

▲图9 疏水的植物叶片

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总结

当我们放眼星辰大海时，前人那些充满创意的智慧也在看着我们。期待三位宇航员能平安愉快地度过太空中的半年，并创作出与地面上一样精美的书法作品。

图片来源：

图4 分子排列

https://www.biolinscientific.com/measurements/surface-tension

图5 势能曲线

Lavocat, Jean-Christophe. (2014). Active photonic devices based on liquid crystal elastomers. 10.13140/RG.2.1.1053.4644.

图6 液滴

Nag, Angshuman & Panda, Biswa & Chattopadhyay, Arun. (2005). Performing chemical reactions in virtual capillary of surface tension-confined microfluidic devices. Pramana. 65. 621-630. 10.1007/BF03010450.

图7 超流喷泉

http://www.zmescience.com/other/feature-post/10-quick-scientific-facts-will-blow-mind/

图8 体温计的细管 http://www.zjtansuo.com/kexue/article/detail/courseId/c05b011/id/577f4dc1a179de1d/type/article

 （来源：“中科院高能所”微信公众号）   

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