从“葡萄酒的眼泪”，到神奇的“表面张力”

葡萄美酒夜光杯，

欲饮琵琶马上催。

醉卧沙场君莫笑，

古来征战几人回？

这是唐代边塞诗人王翰的《凉州词》。开篇一句，尽显风光奢靡的小资情调，已是酒不醉人人自醉啦！哪里还管得了后面抒发英雄将士的豪放与悲壮情怀。

诗情画意，按下不表，单单说说“葡萄酒的眼泪”。

1. 什么是“葡萄酒的眼泪”？

喝葡萄酒时，一般来说倒酒的量在酒杯容量的1/3为宜。目的，一方面是为了方便摇杯、让葡萄酒充分接触氧气、慢慢苏醒、释放馥郁香气、味道更加醇厚；另一方面是为了更好地观察酒的颜色，判断葡萄酒的年份和品种等信息；还有一方面是为了更方便观察“葡萄酒的眼泪”。

当我们轻轻晃动葡萄酒杯的时候，酒液在杯中打转，然后在杯壁上面便会形成一条条液柱沿着杯壁缓缓地向下滑落，并在杯壁上留下一道道酒痕；细细的、长长的，既像美女细长的美腿，又像林黛玉香腮上的泪水。这些酒柱，就是传说中的“酒泪”、“酒腿”、“酒脚”或者“挂杯”。浪漫的法国人将其称为“葡萄酒的眼泪”（图1）——很有其韵味，十分的romantic。

图1 “葡萄酒的眼泪”

《凉州词》中的葡萄美酒夜光杯，自然也会落下“葡萄酒的眼泪”。这些“葡萄酒的眼泪”是为西域英雄的悲壮所感动，还是为自身的爱莫能助而心痛？又或者是谁把伤心的眼泪滴进了酒里？

葡萄酒为什么会有“眼泪”？在回答这个问题之前，我们先学习一点基础知识。

2. 什么是“表面张力”？

表面张力是静止的液体表面收缩到可能的最小表面积的趋势。

定义很严谨，但专业术语不好理解。下面再用普通话解释一下。

液体相邻分子之间存在相互吸引力。在液体内部，液体分子受到周围相邻的液体分子作用力，这些作用力均匀分布在分子各个方向，因此它们的合力为零（图2）。

图2 表面作用力的机理

而在液体的表面（如图2所示的液膜），情况就不同了。这里的液体分子不是在周围各个方向都受到均匀的作用力，而是所受合力指向液体内部；在此合力的作用下，这些液体分子就像被向内拉拽着一样。这会产生液体内部压力，并迫使液体表面具有向内收缩到最小面积的趋势。

同时，由于液膜表面的液体分子存在相互吸引力，因此在液膜切线方向还存在“平行”于表面的张力，它被称为表面张力。

最终效果是，液体表现得好像其表面被拉伸的弹性膜覆盖。

可见，表面张力的出现，是因为在的微观层面分子之间的吸引力不平衡；它们互相拉扯，表现为表面张力。

3. 什么是“马兰戈尼效应（Marangoni effect）”？

马兰戈尼效应（Marangoni effect）是指，由于表面张力不同的两种液体的界面存在表面张力梯度，而使质量传送的现象。

我继续用普通话解释一下。

两种液体相接触时，表面张力大的液体对其周围表面张力小的液体的拉力强，产生表面张力梯度（即张力差）；使液体从表面张力低向张力高的方向流动（图3）。这就好像是两个对手之间的拉锯战，强者自然会将弱者拉到自己身边。

图3 马兰戈尼效应效应的示意图

同理，同一种溶液也会因为浓度高而增强表面张力。所以，把浓度不同的一种溶液放在一起，也会发生马兰戈尼效应，稀溶液也会向浓溶液中渗透流动。

这种现象是英国物理学家詹姆斯·汤姆森于1855年发现的。但意大利物理学家卡罗·马兰戈尼在帕维亚大学把研究这现象作为他的博士论文，所得结果于1865年发表。此后，就把这种现象统称为马兰戈尼效应。

4. “葡萄酒的眼泪”是怎么产生的？

“葡萄酒的眼泪”就是由于酒水的马兰戈尼效应而产生的。

“酒泪”的形成与酒精有关。这里首先要说明两点。一是酒精的表面张力比水小。二是酒精的挥发性很强。

水分子由氢原子和氧原子组成。氧原子很容易被带正电的氢原子核吸引，这种作用力称之为“氢键”。氢键比一般的分子间作用力强很多。相比之下，酒精（学名“乙醇”）分子之间的束缚力就要弱很多。水由于强有力的氢键的存在，使得其表面张力极强。而酒精的表面张力比水的表面张力就小很多，酒精非常容易挥发。

当摇晃葡萄酒杯时，葡萄酒会在杯壁内上升。加大了酒液与空气的接触面积。令酒精更容易挥发。一般来说，酒精在顶部最薄的地方挥发最快。这意味着相比其他部位的酒，处于顶部的酒精浓度更低，所以顶部的表面张力更大。杯壁上的这个表面张力的差异，就将酒液“从下往上”牵引以求平衡。在酒精不断挥发的驱动下，液体不断地向上流动。但是这些酒液被拉上去后无处可去，只能在杯壁聚集，累积形成一个拱起液滴，直到表面张力的作用不足以抵抗液滴的重力而恋恋不舍地“潸然泪下”（图4）。这就是“酒泪”的形成原理。

图4 “酒泪”的形成原理

所以说，“葡萄酒的眼泪”其实是酒精、水和空气的一个“三国演义”故事，也可以说是表面张力与重力的拉锯战剧情。

“葡萄酒的眼泪”这样的说辞，只是人们赋予了葡萄酒更多人性化的情感，葡萄酒显然不具备落泪的能力；“酒腿”的说法也只是酒色之徒高谈阔论的臆想，葡萄酒显然不具备长腿的本事。“程*阳”同学也无需感叹：“美酒挂杯”——是酒的离愁，还是杯的挽留？

其实呢，酒精度数高的酒，其“酒泪”、“酒腿”都漂亮。不进行干预的话，不管红酒、白酒，只要是度数较高的酒，都能流下“酒泪”、长出“酒腿”。

不过，通过简单的人工干预的话，“酒泪”和“酒腿”就不会出现了——倒酒之后，只需迅速将酒杯完全遮盖，防止酒精蒸发，然后再摇晃酒杯，“酒泪”和“酒腿”现象就不见踪影了。

留个作业题：葡萄酒的品质与“葡萄酒的眼泪”有关系吗？

5. 神奇的“马兰戈尼效应”有什么用？

自然界中许多定向传输过程，都是源于马兰戈尼效应。现在，已经有很多人利用马兰戈尼效应，在各种工程实际中做了很多事情。略举几例，勾引一下同学们的兴趣。

（1）为什么不能往开水中尿尿？

传说，如果一个人往热水里撒尿，水流会逆流而上，最终小便的人会被烫伤。

很多人都针对这个问题做了相关的实验。实验结果和传说中的一样，热水确实是顺着温度较低的水流逆流而上、烫伤了小JJ（图5）。因为，根据马拉高尼效应，表面张力大小与温度也有关系，热水会逆流而上！

图5 往热水里撒尿，即使是站得高、尿得远，也有被烫伤的危险

（2）为什么专家们经常呼吁人们打扫厕所？

一个看似干净的马桶，其实里面往往藏着各种肉眼看不见的细菌或者其他东西。

马桶不干净，人往马桶里小便。一不留神，细菌就会顺着尿液逆流而上，引起尿路感染。

（3）在冶金、化工等领域的应用

如在冶金行业，由于不同金属融化后表面张力具有差异，马兰戈尼效应会使得液态金属发生迁移，从而导致不同金属的分布发生不均。看似毫不相干的葡萄酒与冶金行业，因为同一种物理现象而联系在了一起！

（4）海水淡化技术

海水和空气之间的界面存在盐浓度梯度，并由此产生表面张力梯度，其为溶剂和盐份溶质的移动提供了额外驱动力。沿该界面的表面张力梯度产生切向力，形成滑移速度，驱动海水从低表面张力向高表面张力方向流动（图6）。

图6 海水淡化技术的“马兰戈尼效应”工作原理

（5）马兰戈尼效应驱动液体铺展及其生成图案，以及液面下方溶液中的马兰戈尼对流。

香港大学机械工程系岑浩璋教授率领的研究团队，偕同法国巴黎 - 萨克雷大学Neil Ribe教授的研究团队，在Nature Communications上发表了他们的研究论文：Generation of Fermat’s spiral patterns by solutal Marangoni-driven coiling in an aqueous two-phase system, [2023-12-17].DOI:10.1038/s41467-022-34368-5。该论文报道了他们在流体力学范畴取得突破性进展，在双水相系统中开发出一种三维的马兰戈尼物质传输体系（图7）。物质可以按照规律性方式从液滴传输至液面并且有序铺展，为开发革新性自动纺丝系统提供崭新思路。

图7 马兰戈尼效应驱动液体铺展及其生成图案，以及液面下方溶液中的马兰戈尼对流

（6）马兰戈尼效应用于血液透析

在医学上，有人利用马兰戈尼效应发明了一个系统来帮助血液透析（图8）。使用这种方法，人们可以更有效地实现血液透析。

图8 马兰戈尼效应用于血液透析

血液透析是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。通过将体内血液引流至体外，经一个由无数根空心纤维组成的透析器中，血液与含机体浓度相似的电解质溶液（透析液）在一根根空心纤维内外，隔着半透膜进行透析，通过弥散、超滤、吸附和对流原理进行物质交换，清除体内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡；同时清除体内过多的水分，并将经过净化的血液回输的整个过程称为血液透析。

血液透析的主要原理是：弥散+对流。那么，如何做到血液和电解质溶液的均匀铺展和对流扩散，就是一个关键的科学技术问题。“马兰戈尼效应”又在其中发挥了重要作用。

最后，简短总结一下：表面张力>马兰戈尼效应>葡萄酒的眼泪>马兰戈尼效应的工程应用。顺着这条主线，我们从“葡萄酒的眼泪”到神奇的“表面张力”，体会到了很多看似寻常不过的现象背后蕴藏着多么有趣的基础科学问题；理解和掌握了这些科学问题，我们就能学以致用，创造和改变自然世界。