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知识扩展润湿现象

摘自《科学网》

长使英雄泪满襟

—漫话润湿现象及其应用

王振东

蜀相祠堂何处寻，锦官城外柏森森。

映阶碧草自春色，隔叶黄鹂空好音。

三顾频烦天下计，两朝开济老臣心。

出师未捷身先死，长使英雄泪满襟。

这是杜甫（712～770）移居成都，筑草堂于浣花溪，找寻武候词堂拜谒后所写的七言律诗《蜀相》。

他到词堂后，一不观赏殿宇巍巍，二不瞻仰塑像凛凛，而注意到的是阶前的萋萋碧草，叶外黄鹂的数声呖呖。

在这荒凉之境，想到了三顾茅庐的知人善任、始终不渝，两朝辅佐的鞠躬尽瘁、死而后己，使得诗人不禁老泪纵横，襟袖湿润。

有诗评人指出：

“长使英雄泪满襟”的英雄，当指包括老杜在内的千古仁人志士，为国为民的大智大勇者。

这篇以“泪满襟”的润湿现象来抒发情感的七律，使天下后世，凡读到此诗者，无不为之感动。

唐宋诗词作者常以润湿现象来抒发别离和思念的感情，有的还引申到美丽景色使身心受到滋润和浸染，用以展示景色给人心灵以诗意般的感受，如：

王勃（约650～676）《送杜少府之任蜀川》诗

海内存知己，天涯若比邻。

无为在歧路，儿女共沾巾。

杜甫《哀江头》诗

人生有情泪沾臆，江水江花岂终极。

孟浩然（689～740）《与诸子登岘山》诗

羊公碑尚在，读罢泪沾襟。

刘长卿（？

～约786）《饯别王十一南游》诗

望君烟水阔，挥手泪沾巾。

杜审言（约645～708）《和晋陵陆丞早春游望》诗

忽闻歌古调，归思欲沾巾。

陆游（1125～1210）《新津小宴之明日欲修觉寺以雨不果呈范舍人》诗

风雨长亮话别离，忍着清泪湿燕脂。

王维（？

～761）《山中》诗

荆溪白石出，天寒红叶稀。

山路元无雨，空翠湿人衣。

张旭《山中留客》诗

纵使清明无雨色，入云深处亦沾衣

辛弃疾（1140～1207）《木兰花慢·席上送张仲固帅兴元》词

追亡事，今不见，但山川满目泪沾衣。

这里，湿、沾均是润湿之意。

另外，在唐诗中也有描述不润湿现象的，如

韦应物（737～约792）《咏露珠》诗

秋荷一滴露，清夜坠玄天；将来玉盘上，不定始知圆。

这首五言绝句生动地描绘了秋夜由天空掉下的一个露滴，落到展开的碧绿的荷叶面上，成为晶莹透亮的水珠，滚来滚去，煞是好看。

“不定始知圆”是说，由于看到露珠在荷叶面上滚来滚去，方知它是圆球形。

其实，秋荷上的露珠也不一是从天空掉下来的，秋天的后半夜空气湿度大、温度低，在荷叶上凝结的露水，也可形成露珠。

但由现代科学来看，韦应物这首诗正是描述了一滴露珠在荷叶面上不润湿的力学现象。

稍后，白居易（772～846）也有—首七绝《暮江吟》

一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红。

可怜九月初三夜，露似真珠月似弓。

也写出了露珠在绿草上的不润湿现象，系诗人于822年赴任杭州刺史途中所写。

他选取了在红日西沉的黄昏和一弯新月的夜晚两组景物，生动地描绘了所观察到的力学现象。

前两句描绘了残阳中水面皱起的波动；接近地平线的“残阳”，几乎贴着地面照射过来，像是铺在江上；而暮江水缓缓流动，江面上细波粼粼，波纹受光多的部分，呈现一片红色；受光少的部分，呈现出如同青玉般的深碧色。

后两句描绘了新月下，露珠在江边绿草上因不润湿而形成的奇特现象：

九月初三夜十分可爱，当初月升起，凉露下降的时候，江边草地的绿草上因为不润湿而挂满了晶莹的露珠；在弓也似的一弯新月的清辉下，圆润的露珠闪烁着光泽，就像是镶嵌在上面的粒粒真珠（珍珠）一样。

露似真珠

润湿与不润湿的现象

液体对固体的润湿，是指液体与固体接触时，沿固体表面扩展的现象。

将一滴液体，放在一均匀平滑的固体表面上，会产生两种情况：

一种是液体完全展开覆盖固体表面；另一种是液滴与固体表面形成一定角度仍留在固体表面上。

这个在固、液、气三相交界处，自固—液界面经过液体内部到气—液界面之间的夹角称为接触角，通常以θ表示。

接触角的大小可以反映液体对固体表面的润湿情况。

接触角越小，润湿得越好。

习惯上将液体在固体表面上的接触角θ＝90°时定义为润湿与否的界线。

θ＞90°时为不润湿，θ＜90°则为润湿。

水与洁净玻璃的θ＝0，为完全润湿；水银与玻璃的θ＝138°，所以水银在玻璃上收缩成球形。

杜甫、孟浩然、陆游、王勃、王维、辛弃疾等人的诗词涉及的是润湿，而韦应物、白居易的诗，则涉及的是不润湿。

接触角示意图

古人对润湿的作用早有认识。

这可以追溯到汉代淮南王刘安（公元前179～前122）等撰写的《淮南子》。

它所表述的道家自然天道观中就有“山云蒸，柱础润”之说。

后来宋代苏东坡之父苏洵（1009～1066）在《辨奸论》中说“月晕而风，础润而雨”，己明确将础石由于润湿出现的潮湿，作为将要下雨的征兆。

在自然界、工程技术和日常生活中，液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。

彩色感光材料和录音、录像磁带在生产过程中，都要将配制好的感光材料涂液或磁浆，又快又均匀地涂布到固体薄片基上，然后再干燥、裁切、整理包装成产品。

能不能又快又均匀地涂上去，就与所涂液体能否在固体薄片基（现通常是采用涤纶薄膜片基）上润湿，并能迅速铺展开来密切相关。

现在比较讲究的印刷纸张表面要加上一层薄薄的涂料，其涂布过程也要考虑涂液对纸基需要有好的润湿性能。

在印刷过程中，要又快又好地印出多彩的图案来，各种油墨对纸张也要有好的润湿性能。

即使在日常生活中，墙壁的刷浆、家具的刷漆，均都有类似的需要润湿性能好的问题。

生活中有时也希望应用不润湿的现象。

几乎所有的防水用品，都希望水对其不润湿。

例如风雨衣、雨伞的面布，就希望雨水打到上面后完全不润湿，形成水珠落下。

叶上的水珠

花辫上的水珠

水珠在毛毛虫身上的不润湿

蜻蜓身上的水珠

据报道，法国有人看到郁金香花瓣的表面粗糙不平，上面有许多仿佛人汗毛形状的物质，当水滴到郁金香花瓣上，因不润湿而保持圆珠状，并自己滑走；从而试图把这—原理嫁接到汽车的挡风玻璃上，将玻璃表面处理成郁金香花瓣表面那样，使水不润湿。

当雨水落在这种经过改造的挡风玻璃上，会保持圆珠状，当汽车在行驶时，由于风速和重力的原因，雨滴会自动滑走。

如果这一技术成功，汽车的雨刷将成为摆设。

其实从一千多年前韦应物和白居易的诗，我们也应可以得到启发，仿照荷叶面或小草表面来改造玻璃面，使雨水完全不润湿，也可以达到雨滴从汽车挡风玻璃上自动滑走的目的。

花枝条上水珠的不润湿

花朵上的水珠

若将一滴液体放到另—种与它不相混溶的液体表面上，则也有润湿与否（亦称能否铺展）的现象。

可能发生以下情况：

（1）一种液体（例如油）在另一种液体（例如水）表面上不铺展，形成漂浮的油滴式“透镜”；

（2）一种液体在另一种液体表面上展开形成双重膜，此膜有相当的厚度，形成液1—液2、液1—空气两个界面；

（3）一种液体在另一种液体上展开，形成一单分子膜。

黏性指进示意图

这种液体与另一种和它不相溶的液体之间润湿与否的现象，与发展先进的石油采油技术密切相关。

储存在地下石灰岩及其他多孔介质中的原油，经过喷出（称为一次采油）、抽油机抽出（称为二次采油，即平时所常见的“磕头机”抽油）之后，几乎还有一半的石油仍粘附在孔隙中，没有被采出。

为迫使这些原油流出，就要在采油井附近再打另一口井，将水（或其他高分子液体）从这口井加压注入，迫使粘附在孔隙中的石油流向采油井再抽出（称为三次采油）。

现代科学研究发现，将水加压注入高黏性液体中时，水是按照具有很多细小、且高度分枝的线段组成的珊瑚状分形结构前进的，称为黏性指进（viscousfingering）。

黏性指进限制了三次采油的效率。

因为当水的细指如果由于润湿性能不合适，而从注水井到采油井这段距离破裂时，就有可能从采油井采出的将是注入的水，而不是油，或者水多油少，实际上在油田经常发生这种情况。

因此必须在研究黏性指进时，考虑润湿的因素，才能找到控制它们的方法，以发展先进有效的采油技术。

润湿过程与表面张力

润湿过程大体可分为沾湿、浸湿和铺展三类，每一类过程都有定量的公式。

用它可判断这一过程能否自发（或自动）进行。

沾湿是指液体与固体接触，变液—气界面、固—气界面为固—液界面的过程。

液体对固体的沾湿能力可用黏附功

表示，

（1）

式中

是液体的表面张力，θ是液体在固体表面上的接触角。

（1）式称为杨氏润湿方程。

根据热力学，在等温等压的条件下，

的过程为天然过程的方向，这就是沾湿过程自发进行的条件。

浸湿是指固体浸入液体的过程，即变固—气界面为固—液界面的过程。

液体表面在此过程中没有变化。

浸湿的能力用浸湿功

表示

（2）

若

，则浸湿过程可以自发进行。

铺展是一种液体在另一种液体表面上展开的过程。

其能力可用铺展系数

来判断

（3）

式中

，

分别是液体1和液体2的表面张力，

是液体1、2间的界面张力。

若

，则液体1能在液体2表面上自动展开。

式

（1）～（3）均涉及到液体的表面张力，那么什么是表面张力，它与润湿现象有什么关系呢？

表面张力是指垂直地通过液体表面上任一单位孤元，并沿着与液面相切方向的收缩表面的力，以毫牛顿／米为单位，通常用γ表示。

液体表面的基本特性是倾向于收缩，即总是尽可能取最小的表面积。

一切容积相等的形状中，以球形的表面积为最小，因此小量水银和露珠会趋向球形，肥皂膜会自动收缩成滴。

这就是韦应物、白居易诗中露珠成球形的原因。

毛细现象示意图

表面张力与润湿现象的联合作用，形成了毛细现象。

毛细现象是指将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，管内外液面产生高度差的现象。

当液体与构成毛细管的固体材料润湿时，管中液面升高并呈凹状；当液体与毛细管材料不润湿时，管中液面下降并呈凸形。

毛细现象在科学技术和日常生活中经常可以见到。

含有许多毛细管的“上水石”，可作为盆景中的假山，它正是靠水因毛细作用上升的现象，使假山上的植物获得水分。

植物所以能够通过根和茎将土壤中的水和养分吸收到自己机体中来，其重要原因也是凭借机体中的毛细管和毛细作用。

土壤里有很多毛细管，地下的水分沿着这些毛细管上升到地面上来，如果要保存地下的水分，就要锄松地面的土壤“保墒”，以破坏土壤表层的毛细管，减少水分的蒸发。

润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器，靠的也是毛细现象。

大量多孔性的固体材料，如纸张、纺织品、粉笔、海绵、砖块等能够吸水，是因为水能润湿这些多孔性物质，从而产生毛细现象。

“山云蒸，柱础润”，“础润而雨”，础石是多孔性材料，也正是因空气中所含大量水分，由毛细现象使础石潮湿，从而可以作为空气湿度大，将要下雨的预示。

既然表面张力和润湿与否密切相关，那么有没有办法通过加合适的化合物，使液体的表面张力改变，从而改变液体对固体的润湿性能呢？

科学研究表明，确有这样的化合物能在很低浓度时，就可显著降低液体的表面张力和固—液界面的界面张力，以改善润湿性能，使液体更易润湿固体。

也有这样的化合物，它能降低液—液界面的界面张力，使一种液体能在另一种与它不相混溶的液体表面上更快、更好地铺展。

这样的化合物，通常称为表面活性剂或润湿剂。

我国感光材料工业就曾使用过合适的润湿剂，攻克了因润湿性能不好、涂布不够均匀，致使冲洗出的彩色电影胶片发花、发闪的难题。

我们相信，如选择采用了合适的表面活性剂，将会提高三次采油的采油效率，也会制造出更多更好的工业品与日常生活用品来。