在我们的⽣活中,⼏乎每天都要接触⽔。可是,你听说过⽔有“膜”吗?我们不妨撷取⾝边的⼏个实例来分享⼀下关于⽔“膜”的乐趣。⽔之奇——⽔黾的“⽔上轻功”也许你听说过在冰⾯上溜冰,可是你未必听说过在⽔⾯上滑⾏。有⼀种叫作⽔黾的昆⾍就具有在⽔⾯上滑⾏的绝活,并且还能在⽔⾯上进⾏跳跃和嬉戏。为什么⽔黾能够常在⽔上滑⾏⽽从不湿脚呢?⽔黾属于⽔⽣半翅⽬类昆⾍,其“⽔上轻功”的绝活则更多地来源于其⾃⾝的造化。
科学家在⾼倍显微镜下发现,在⽔黾的腿部分布有数千根按同⼀⽅向排列的多层微⽶尺⼨的刚⽑。⽔黾就是利⽤其腿部这种特殊的结构,有效地吸附空⽓并在其表⾯形成了⼀层稳定的⽓膜。正是这种⽓膜赋予了⽔黾腿部的超疏⽔特性,使其不仅能在⽔⾯上⾏动⾃如,即使在狂风暴⾬的拍打下也不会沉没⽔中。当然,⽔黾能够常在⽔上滑⾏⽽从不湿脚,也和⽔⾯这个特殊的舞台密不可分。
原来,⽔中⽔分⼦之间的关系⾮常密切,因此在同伴们的引⼒作⽤下互相黏合在⼀起。在⽔的内部,⽔分⼦受到各个⽅向的引⼒⽽互相抵消,⾃然也就没有什么特别之处了。可是在⽔的表⾯,情况就有所不同了。由于⽔的表⾯与空⽓相接触,空⽓分⼦对⽔分⼦的拉⼒⾃然⽐不上同伴们的拉⼒⼤,这样就会在表⾯产⽣⼀种向内收缩的趋势。其实这就是⼈们常说的⽔的表⾯张⼒。也就是说,在⽔的表⾯存在⼀层⽆形的膜。
正是这层看不见的绷紧的膜,⽀撑⽔黾完成了看似不可能的动作。⽔之美——⼤珠⼩珠落“⽟盘”周敦颐在《爱莲说》中有“出淤泥⽽不染,濯清涟⽽不妖”的诗句,以赞美荷叶出污泥⽽不染的清纯和⾼洁。那么,荷叶为什么能够出淤泥⽽不染呢?这还得从“荷叶效应”说起。所谓“荷叶效应”,说的是荷叶具有⾃洁的效应。细⼼的朋友可能会发现,荷叶本⾝是不沾⽔的。
⽔滴落在荷叶上会形成⼀个球状体,⽔球在叶⽚上滚动时可以把灰尘吸附⾛,在滚出叶⾯时可以起到清洁叶⾯的作⽤。科学家认真研究了荷叶的微观结构,结果发现了荷叶表⾯不沾⽔的秘密武器。这种秘密武器就是荷叶上的微⽶级乳突和蜡质层。这些乳突在荷叶表⾯上就像⼀个个隆起的“⼩⼭包”,在“⼩⼭包”之间的凹陷部分存有空⽓。
正是由于这层极薄的空⽓层阻⽌了⽔滴与荷叶的亲密接触,再加上不亲⽔的蜡质层的作⽤,使得⾬⽔落到荷叶上后处于“半悬空”状态,并呈圆珠状,可以⾃由滚动。那么,为什么荷叶上的⽔滴呈圆珠状呢?这还得从⽔的“膜”说起。这个“膜”就像⼀张绷紧的橡⽪膜⼀样,尽可能地缩⼩它的表⾯积。事实上,球形是⼀定体积下具有最⼩表⾯积的⼏何形体。这就是荷叶上的⽔滴呈圆珠状的原因。
当然,较⼤的⽔滴可以呈现各种形状,但其表⾯都有光滑的边缘。⽔之幻——五彩缤纷的“肥皂泡”也许你也有过吹肥皂泡的经历,然⽽你是否思考过这样的问题:为什么纯⽔不能吹泡泡?为什么肥皂⽔就能吹泡泡呢?为什么⽤肥皂⽔吹出的泡泡是五彩缤纷的呢?要回答这些问题,我们还得回到⽔的表⾯张⼒上来。对于纯⽔来说,它的表⾯张⼒是很⼤的。之所以⽤纯⽔吹不出泡泡,就是因为⽔膜受到⾃⾝向内收缩的张⼒作⽤⽴即就破灭了。
这样⼀来,我们就很难⽤纯⽔吹出美丽的泡泡了。那么,为什么加进肥皂后的⽔就能吹出⽓泡了呢?简单来说,这是因为肥皂降低了⽔和空⽓界⾯之间的表⾯张⼒,使得⽓泡吹出来不容易破裂。其实,肥皂泡的表⾯是由⽔和肥皂构成的,表⾯张⼒已经变得很⼩了。这样⽤肥皂⽔吹出来的泡泡就不会破裂,也能够吹出⽐较⼤的肥皂泡了。
顺便说⼀句,并不是只有肥皂⽔才能吹出泡泡,像洗发⽔、沐浴露、洗洁精等含有表⾯活性成分的洗涤⽤品,⽤其⽔溶液也是能吹出⽓泡的。为什么我们吹出的肥皂泡是五彩缤纷的呢?其实,肥皂泡本⾝没有颜⾊。我们看到的五彩缤纷的肥皂泡,则是在光线的作⽤下肥皂膜表⾯所呈现出来的颜⾊。由于肥皂泡的外层薄膜厚度以及光线照射⾓度的变化,肥皂泡的颜⾊也会不断地变换⾊彩。不知你是否注意到,我们吹出的肥皂泡总是先上升后下降。
这是为什么呢?原来,我们吹出的肥皂泡具有复杂的结构,最⾥⾯为⽓体(⼆氧化碳),包裹⽓体的泡泡外层薄膜是由两层肥皂分⼦夹着⼀层薄⽔层组成的。刚开始我们吹进去的⽓体会⽐空⽓热⼀些,因此肥皂泡会慢慢地上升。当肥皂泡⾥的热量散失之后,肥皂泡的体积⾃然也就会随之缩⼩,并且由于其内的⼆氧化碳要⽐空⽓重⼀些,因此肥皂泡下降也就成为了⼀个必然的过程。