1.失重與寫(xiě)作
當(dāng)宇航員進(jìn)入太空時(shí)，傳統(tǒng)的鋼筆和圓珠筆必須依靠重力將墨水漏入筆尖，使其無(wú)法使用。 盡管鉛筆可以正常書(shū)寫(xiě)，但微小的導(dǎo)電石墨粉末可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。 現(xiàn)代太空筆依靠氣壓將墨水推出。 神舟十三號(hào)任務(wù)期間，翟志剛將國(guó)學(xué)四寶帶入空間站，淋漓盡致地展示了中國(guó)人骨子里的劍、膽、琴。
圖1 神舟十二號(hào)航天員劉伯明在【開(kāi)學(xué)第一課】寫(xiě)下“理想”二字
等等，為什么其他水筆不能用呢？ 毛筆這個(gè)誕生于先秦的古老文具，能否在21世紀(jì)的星海探索中發(fā)揮作用呢？
要回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先要思考毛筆是如何寫(xiě)字的。 答案似乎很簡(jiǎn)單：毛筆吸收墨水，當(dāng)筆尖與紙張接觸時(shí)，墨水從筆尖轉(zhuǎn)移到紙張上。 但如果你進(jìn)一步想一想，為什么墨水只有在毛筆接觸紙張時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)移，而在其他時(shí)候則不會(huì)呢？
圖2 舔筆。 如果墨水過(guò)多，可以用硯臺(tái)的邊緣刮去多余的墨水。
事實(shí)上，墨水自動(dòng)轉(zhuǎn)移是很常見(jiàn)的。 初學(xué)者有時(shí)會(huì)一下子沾太多墨水，墨水會(huì)從筆尖滴下來(lái)。 毛筆蘸墨有一個(gè)特殊的技巧：只需將筆尖的一部分浸入墨中即可。 這樣可以確保只吸收適量的墨水，并且墨水不會(huì)從筆尖滴落。 因此，毛筆所能保留的墨水量是有上限的。
2.神奇的力量
透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，毛筆既然能留墨，就一定有克服重力的機(jī)制。 這個(gè)機(jī)制可能是什么？ 我們不妨看看墨水分子受到了什么力。 由于畫(huà)筆尖端是開(kāi)放區(qū)域，各處的大氣壓都是平衡的，因此只需要考慮重力和分子之間的相互作用。 它分為兩種，一種是液體分子之間的相互作用，另一種是液體與容器壁分子之間的相互作用，使液體粘附或疏離。 兩種相互作用都存在摩擦，在微觀(guān)層面表現(xiàn)為電磁相互作用。 如果從宏觀(guān)上結(jié)合起來(lái)，就會(huì)帶來(lái)一種神奇的現(xiàn)象，叫做毛細(xì)現(xiàn)象。
毛細(xì)管現(xiàn)象是指當(dāng)毛細(xì)管浸入液體中時(shí)，管內(nèi)液位相對(duì)于管外液位會(huì)自發(fā)地向上或向下移動(dòng)。 對(duì)于生活中常見(jiàn)的液體，例如水和酒精，它們會(huì)在細(xì)管中上升。 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中配制溶液時(shí)，用量筒讀數(shù)時(shí)，視線(xiàn)應(yīng)平行于凹液面的最低點(diǎn)或凸液面的最高點(diǎn)。 對(duì)于凹形的液面，由于水可以潤(rùn)濕玻璃，因此會(huì)吸附在容器邊緣，然后由于表面張力的作用，自發(fā)地沿著容器壁移動(dòng)，表現(xiàn)為上升，從而表現(xiàn)為高邊緣和低中心。
圖3 不同液體中的玻璃毛細(xì)管
對(duì)于量筒中的汞來(lái)說(shuō)，情況正好相反：由于汞不能潤(rùn)濕玻璃，因此它有很強(qiáng)的傾向從容器壁“逸出”，表現(xiàn)為水滴。 當(dāng)粗的量筒不斷變薄，直到液位變化的刻度與管的直徑相當(dāng)時(shí)，細(xì)管中的液體就會(huì)整體移動(dòng)。 管子越細(xì)，液位上升或下降越顯著，因此稱(chēng)為毛細(xì)管效應(yīng)。
3.毛細(xì)現(xiàn)象背后
毛細(xì)現(xiàn)象乍一看似乎違反直覺(jué)。 人們常說(shuō)：“水往低處流”。 為什么水可以自發(fā)地流到更高的地方？ 能量守恒定律告訴我們，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或憑空消失。 液柱的上升過(guò)程伴隨著重力勢(shì)能的增加，因此必須找到另一種能量，該能量在該過(guò)程中減少。 是的，這種能量來(lái)自液體的表面張力。
首先考慮液-氣（或真空）界面。 在界面兩側(cè)，液體分子的組合有很大不同。
圖4 液體與界面分子的相互作用大小不同
液體分子之間的相互作用在液體表面和內(nèi)部有很大不同。 表面液體分子之間的聯(lián)系較少，相互作用較弱，因此兩側(cè)的力不均勻。 在這種受力不均的情況下，內(nèi)力更大，會(huì)自發(fā)地“突出”到外面。 因此，在沒(méi)有重力的情況下，一群液體將呈現(xiàn)球形。 在這種情況下，表面張力將使液體界面彎曲，使其以最低能量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
在液固界面處，除了液體分子之間的相互作用力外，液體分子與固體分子（原子）之間的相互作用也變得不可忽略。 分子間的相互作用通常可以用倫納德-瓊斯勢(shì)來(lái)表示：
圖5 分子間相互作用與距離的關(guān)系
對(duì)于液體和固體分子之間的典型距離，兩者之間存在吸引力相互作用。 如果液體表面與固體之間的吸引力超過(guò)液體分子之間的吸引力，我們認(rèn)為固體表面可以吸收液滴，這稱(chēng)為潤(rùn)濕。 例如，水可以潤(rùn)濕玻璃，但不能潤(rùn)濕蠟燭。 但如果液體分子之間的相互作用更強(qiáng)，例如汞原子之間的相互作用強(qiáng)于汞和玻璃分子之間的相互作用，則液體不能潤(rùn)濕固體。
圖6 固體表面上液滴的形態(tài)。 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，必須將燒杯清洗至出現(xiàn)水膜(a)水的毛細(xì)現(xiàn)象，且不能聚集成水滴或成溪流流下(b、c)，因此利用滲透原理
結(jié)合之前液體分子的相互作用以及液體分子與外部固體分子之間的相互作用，我們得到表面張力，并根據(jù)這兩種相互作用的大小，將液-固分為兩類(lèi)：可潤(rùn)濕或不可潤(rùn)濕。
問(wèn)題的答案是這樣的。 毛細(xì)作用實(shí)際上需要液體分子的相互作用以及液體與表面之間的相互作用之間的平衡。 在達(dá)到平衡的過(guò)程中，液體表面發(fā)生變形。 刷子的材質(zhì)是動(dòng)物毛，是蛋白質(zhì)，可以像玻璃一樣被水潤(rùn)濕。 由于分子間相互作用不受重力影響，空間站中自然會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象。 因此，毛筆在失重的情況下可以照常吸收墨水并正常書(shū)寫(xiě)。
4．毛細(xì)管現(xiàn)象的利用
從毛細(xì)管現(xiàn)象的描述中，我們可以直接得出兩個(gè)推論：
(1)由于阻力的存在，無(wú)法利用毛細(xì)管現(xiàn)象連續(xù)做功，所有的“永動(dòng)機(jī)”都是不可能實(shí)現(xiàn)的。
(2)如果沒(méi)有摩擦力，毛細(xì)管將繼續(xù)將液體向上吸，直至充滿(mǎn)整個(gè)管子或從頂部噴出。
(2)這就是著名的“超流體”現(xiàn)象。 超流是一種宏觀(guān)量子現(xiàn)象，其原理相對(duì)復(fù)雜，本文不予詳細(xì)描述。 直觀(guān)地說(shuō)，超流體的特點(diǎn)是流動(dòng)時(shí)不會(huì)遇到阻力。 它與普通流體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)存在巨大差異。 就像液態(tài)和氣態(tài)一樣，它們屬于不同的物理狀態(tài)。 一定溫度下的液氦就是這樣一種超流體，可以從毛細(xì)管?chē)姲l(fā)形成噴泉。
圖7 超流液氦噴泉
液氦噴泉仍然滿(mǎn)足能量守恒：當(dāng)液氦從毛細(xì)管中噴出時(shí)，容器內(nèi)液氦的溫度會(huì)升高。 這種現(xiàn)象稱(chēng)為“機(jī)械熱效應(yīng)”。 當(dāng)超流液氦被加熱到特定溫度，即約負(fù)271℃（準(zhǔn)確地說(shuō)約為2.18K）時(shí)，超流液氦就會(huì)變成普通液氦，噴泉停止工作。 整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于原來(lái)的化學(xué)能（本質(zhì)上是電磁相互作用的勢(shì)能）轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓?shì)能和動(dòng)能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。
此外，不可潤(rùn)濕材料也具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，例如汞和玻璃。 當(dāng)水銀倒入量筒時(shí)，其液面向上隆起，表明水銀會(huì)自發(fā)地沿著玻璃壁落下。 由于這種特性，汞會(huì)在玻璃毛細(xì)管中下落，而不是像水一樣上升。 這一特性被用于溫度計(jì)的生產(chǎn)：溫度計(jì)的玻璃泡和測(cè)量管之間有一根很窄的管子。
圖8 液泡和溫度計(jì)測(cè)量部分之間的細(xì)管，水銀柱很容易破裂
當(dāng)溫度測(cè)量完成，將溫度計(jì)拿到空氣中時(shí)，液泡的溫度迅速下降水的毛細(xì)現(xiàn)象，導(dǎo)致水銀收縮。 由于毛細(xì)管現(xiàn)象，彎曲處的細(xì)液柱被破壞，使進(jìn)入測(cè)量管的汞無(wú)法返回液泡。 因此，體溫計(jì)一旦離開(kāi)人體，其指示就不再改變。
對(duì)于那些疏水性極強(qiáng)的材料，液體與容器壁之間的吸引力很小，液滴可以在表面自由滾動(dòng)。 荷葉的表面充滿(mǎn)了納米級(jí)的突起，可以防止水滲入荷葉，也可以防止水滴停留在這種水生植物的葉子上。
圖9 疏水性植物葉子
5.總結(jié)
當(dāng)我們仰望星空、仰望大海的時(shí)候，前人的創(chuàng)造智慧也在看著我們。 希望三位宇航員能在太空安全、快樂(lè)地度過(guò)半年，創(chuàng)作出與地面一樣美麗的書(shū)法作品。