汤水里的油滴一定是圆形的吗？答案来了

出品：科普中国

制作：陈琳(中国科学院工程热物理研究所) 陈劲涛（北京航空航天大学）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

在我们品尝各式美味汤肴时，你可能会发现汤里漂浮的油滴大都是圆形的。

那么，为什么生活中见到的小油滴在水中呈现的是圆形，而不是四边形、五边形抑或是多边形？在水中有没有可能呈现出多边形的油滴呢？且听我们一一道来。

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油滴在水中形成圆形的原因——表面张力

油滴之所以能漂浮在水的表面，首先是因为油和水不相溶。如果是相溶的两种物质，那就不存在“形成特定的形状”这一说法了。

那么，既然不相容，就必定存在一个相交的表面，如下图中的油水分离表面。

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在表面化学中，物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面，如气-固、气-液、固-固、固-液及液-液界面。我们习惯将其中的气-液和气-固界面称为表面，其余称为界面。二者并无严格区分，常常通用。

那么，对于任何一个表面，处在物质表面层（也称“表面相”）的分子，与内部分子在受力情况、能量状态和所处的环境等方面均不相同。我们以纯液体表面为例进行分析。

上方为气相，下方为液相，图中分别用B和A表示表面分子和液体内部分子。

图片来源：参考资料1

液体内部分子A与周围分子的作用力是对称的，相互抵消，合力为零，因此A在液体内部移动时不需要做功。而对于表面分子B，与表面下的水分子相互的作用力强烈，与表面上的空气作用力则较弱。由于上下的作用力大小不一致，因此B处于一个不对称的力场中，形成了一股指向内部的合力，此力力图将其拉回液体的内部。

图片来源：参考资料2

当有内部分子A想从液相移至表面层成为分子B时，那就必须克服这股合力对分子的影响做功，这时分子能量增加，意味着B比A具有更多的能量。

而高能量的系统总是有趋于更稳定状态的趋势，因此B就会自动收缩其表面积以达到稳定。这时，表面上存在的使其表面积自动收缩的力，就被人们定义为表面张力。

表面张力垂直于边界线且指向表面内部，且总是作用在表面上，如果表面是弯曲的，则表面张力就是沿着曲面的切线方向。

图片来源：作者根据参考资料1自制

由上述我们可以知道，在表面的边界上，表面张力使物质的表面积趋向于收缩变小的方向发展。而在体积一定的情况下，球体是表面积最小的几何体，所以上述的小油滴本身是最想变成球体的。

但是，由于我们所看到的油滴在水面上，变化空间为二维而不是三维，在面积一定的条件下，圆形是边长最小的几何图形，因此油滴在水中呈现圆形。

确定地说，只要有表面存在，就会有表面张力。除了油滴在水中成圆形外，生活中其实还有许多现象都是表面张力形成的。

生活中的表面张力

不仅是液液之间，表面张力存在于生活的每一处——清晨凝聚在叶片上的露珠、缓缓落在水面的液滴、高于杯面却没溢出的水、在水面上滑行奔跑的水黾等。

常见的固-液之间的生活现象都是在表面张力的作用下形成的。

图片来源：作者提供、参考资料3

在液体与气体接触的表面层，表面张力也会出现表面收缩的趋势。

用牙膏刷牙时，会吐出些牙膏白沫，而牙膏白沫一旦落在水面上，便会立即向四周散开，可见水的表面张力比牙膏液的表面张力大。

我们就是利用这个道理来帮助清洁口腔的。刷牙前，先用清水漱漱口，再用牙膏刷牙，这时会使得牙膏液在水的表面张力作用下充斥整个口腔，污物便更容易随着牙膏液和水被清洗干净。

同样，肥皂、洗涤剂及洗衣液等，也是通过表面张力的原理来去除污垢、清洁衣物的。

图片来源：参考资料4、5

在工业上，用于测定表面张力的表面张力仪最常见的应用，就在清洗剂方面，用于剖析外表面活性剂的吸收速度、性质，研究适宜的浓度等。表面张力仪同样能在医药、农业、电力、石油和化妆品等十多个重要行业中有所应用。

当我们结合实际现象、了解到背后的科学原理后，往往就会思考能否控制表面张力，打破这种平衡，从而更好地服务我们，满足我们的需求。

比如，将圆形的油滴通过一些方法变成我们想看到的多边形油滴！虽然这听起来不可思议，但是科学家们已经在实验室内做到了！

方形油滴在实验室内出现了

芬兰阿尔托大学（Aalto University）的Jaakko Timonen教授的课题组在9月15日的《科学进展》（Science Advances）上发表了关于这一过程的新研究。

他说：“平衡态的东西都太无聊了。把系统推离平衡态，去看看非平衡的结构能不能被控制、能不能被利用，却很有意思”。

图片来源：参考资料6

在这项研究中，团队将油与多种具有不同介电常数和电导率的液体混合后，通过施加电场，界面发生剪切，会脱离平衡状态，产生有趣的结构。液滴形成了许多出乎意料的图案，可被控制成为方形或六边形，每条边都是笔直的，这在自然界中几乎是不可能的。

液体甚至可以在诱导下形成甜甜圈状的圆环，在电场中保持形状稳定。这也是自然条件下不可能做到的——这样的液体结构会具有强烈的坍缩趋势，填补中心的孔洞。

实验还实现了围绕轴线转动的细丝状液滴。

图片来源：参考资料6

了解本质，敢于创新

通过上述课题组的研究，我们能够创造出在自然界几乎不可能找到的液体形状，这为我们带来了制造动态特定结构的方法。这一结构不仅能够通过电压的开关来控制，还对进一步探索电压控制的光学设备提供可能性。

而基于此项研究的另一项潜在的成果，是能够构造相互作用的滚动细丝和微液滴。这对微生物基于各不相同的机制推进的动力学特性和集群行为也能进行指导研究。

未来，相信会有越来越多的新方向等待被开发。

科学其实离我们并不遥远，只要你细心观察，潜心钻研，也许从你身边的一个角落就能推衍出藏于其中的科学本质。发现生活的美，再告诉人们怎样能够创造出新的美，这难道不是一件很酷的事情吗？

参考资料：

1.朱文涛，王军民等，简明物理化学，清华大学出版社 北京；

2. 表面张力的搜索结果_百度图片搜索 (baidu.com)；

3.新浪看点，水黾为何轻功了得 原来却有绝活|轻功|绝活|水面_新浪新闻 (sina.com.cn)；

4. 刷牙中的泡泡 - 国内版 Bing images ；

5. 洗衣服 - 国内版 Bing images；

6.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1642

7.https://www.linkresearcher.com/theses/4634451c-6902-42d8-8118-15aff1f3eff7