【创作培育计划】你所不知道的“尺寸效应”

我们生活中可能经常听说“纳米技术”这个词，纳米大家都知道10的-9次方米，十亿分之一米。纳米科学、纳米技术，就是研究这种小尺寸下的科学技术。

就有朋友说，为什么要研究小尺寸下的科学技术？不就小点吗，和大的有啥区别吗？大杯、中杯、小杯……啊，没有小杯……中杯、大杯、超大杯，小点的杯子不就装的少点吗？那其实，尺寸要是小到一定程度，可能就会有和大尺寸的时候不一样的性质，我们常说叫“尺寸效应”。

为什么会这样呢？因为当物体尺寸缩小的时候，它表面积和体积的比，叫面体比，也叫面体比，就会变大。举个例子来说，如果把我按比例放大，把我的长宽高都放大十倍，那我体重可能就增长1000倍，但是我脚底面积只增大100倍，因为底面积只有长和宽，没有高啊，所以只增大100倍。那脚底变大100倍，体重变大1000倍，这样的话直观感受就是我脚会被压的更疼了，因为我脚底下，单位面积承受的重量就是原来的10倍，再增大可能就把我脚压坏了。所以我们看，孙悟空如意金箍棒不断变大，如果立在地上按比例变大的话，其实他的底面积承受的压力是越来越大的，也就多亏这是个神棍，要不然变大到一定程度把下面压碎了。

其实面体比这个事儿，大家生活中也有很多直观感受，举个例子，我去买蛋糕，我都买六寸的，不买八寸的。因为小的蛋糕，它表面积和体积的比更大，所以如果奶油厚度相同的情况下，六寸的奶油比例更大。当然我不买八寸的还有一个原因，就是省钱。再有我们吃饺子爱吃大个的，因为吃饺子是想吃馅儿，否则吃面片就行了。大的饺子表面积和体积的比更小，所以皮的比例更小。我们吃西红柿炒鸡蛋爱吃小块的西红柿，因为调料主要在表面上，越小块的西红柿，表面积的比例越大，就越入味。

吃东西是这样，有一些物理性质也是这样，跟表面相关，比如表面张力、表面粗糙度、分子作用力等等，物体大的时候可能是可以忽略的，小了之后就不能忽略，再小就成为主要的特征了。这样的话，就带来了一些新的性质。比如荷叶表面可以完全不沾水、壁虎的脚能紧贴墙，都是上面纳米尺度的结构带来的新性质。所以就看尺寸小的时候带来不少新功能，大的时候这些功能可没有。所以可以引用一句话，叫“小时了了，大未必佳”。

除了能带来新的性质以外，还会带来新的问题。比如说我们的手机芯片，尺寸在不断缩小，这个过程中就有各种各样的新效应产生，带来一些原来没有的问题。所以芯片的研发不是直接按比例缩小就可以，而是需要新的设计来解决这些问题。我们手机除了有芯片以外，还有很多微传感器，这些微传感器在设计和制造的过程中也需要考虑尺寸效应带来的问题。

我还有学生物环境有关研究的同事说过一个现象，他说很多时候，对于同一种动物来说，热带的动物相对体型小一点，比如对熊来说，马来熊就比北极熊体型要小。因为面体比更大，散热和表面相关啊，所以有利于散热，说是选择和进化的结果。那寒冷地区的动物会体型相对大，有利于保温。当然这不是绝对的哈，不过其实对我们人来说也是，经常有人说北方的人都比较高大，南方的人相对体型小一点，这个我虽然没统计过是不是对的，但是直观感觉好像差不多是这么回事儿，像我是东北人，我就比较胖，南方的同学当然也有旁的，但总体来说体型小的同学比较多。

审核：北京航空航天大学教授 叶盛