從“葡萄酒的眼淚”，到神奇的“表面張力”

葡萄美酒夜光杯，

欲飲琵琶馬上催。

醉臥沙場(chǎng)君莫笑，

古來(lái)征戰(zhàn)幾人回？

這是唐代邊塞詩(shī)人王翰的《涼州詞》。開(kāi)篇一句，盡顯風(fēng)光奢靡的小資情調(diào)，已是酒不醉人人自醉啦！哪里還管得了后面抒發(fā)英雄將士的豪放與悲壯情懷。

詩(shī)情畫(huà)意，按下不表，單單說(shuō)說(shuō)“葡萄酒的眼淚”。

1. 什么是“葡萄酒的眼淚”？

喝葡萄酒時(shí)，一般來(lái)說(shuō)倒酒的量在酒杯容量的1/3為宜。目的，一方面是為了方便搖杯、讓葡萄酒充分接觸氧氣、慢慢蘇醒、釋放馥郁香氣、味道更加醇厚；另一方面是為了更好地觀察酒的顏色，判斷葡萄酒的年份和品種等信息；還有一方面是為了更方便觀察“葡萄酒的眼淚”。

當(dāng)我們輕輕晃動(dòng)葡萄酒杯的時(shí)候，酒液在杯中打轉(zhuǎn)，然后在杯壁上面便會(huì)形成一條條液柱沿著杯壁緩緩地向下滑落，并在杯壁上留下一道道酒痕；細(xì)細(xì)的、長(zhǎng)長(zhǎng)的，既像美女細(xì)長(zhǎng)的美腿，又像林黛玉香腮上的淚水。這些酒柱，就是傳說(shuō)中的“酒淚”、“酒腿”、“酒腳”或者“掛杯”。浪漫的法國(guó)人將其稱為“葡萄酒的眼淚”（圖1）——很有其韻味，十分的romantic。

圖1 “葡萄酒的眼淚”

《涼州詞》中的葡萄美酒夜光杯，自然也會(huì)落下“葡萄酒的眼淚”。這些“葡萄酒的眼淚”是為西域英雄的悲壯所感動(dòng)，還是為自身的愛(ài)莫能助而心痛？又或者是誰(shuí)把傷心的眼淚滴進(jìn)了酒里？

葡萄酒為什么會(huì)有“眼淚”？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先學(xué)習(xí)一點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)。

2. 什么是“表面張力”？

表面張力是靜止的液體表面收縮到可能的最小表面積的趨勢(shì)。

定義很嚴(yán)謹(jǐn)，但專業(yè)術(shù)語(yǔ)不好理解。下面再用普通話解釋一下。

液體相鄰分子之間存在相互吸引力。在液體內(nèi)部，液體分子受到周圍相鄰的液體分子作用力，這些作用力均勻分布在分子各個(gè)方向，因此它們的合力為零（圖2）。

圖2 表面作用力的機(jī)理

而在液體的表面（如圖2所示的液膜），情況就不同了。這里的液體分子不是在周圍各個(gè)方向都受到均勻的作用力，而是所受合力指向液體內(nèi)部；在此合力的作用下，這些液體分子就像被向內(nèi)拉拽著一樣。這會(huì)產(chǎn)生液體內(nèi)部壓力，并迫使液體表面具有向內(nèi)收縮到最小面積的趨勢(shì)。

同時(shí)，由于液膜表面的液體分子存在相互吸引力，因此在液膜切線方向還存在“平行”于表面的張力，它被稱為表面張力。

最終效果是，液體表現(xiàn)得好像其表面被拉伸的彈性膜覆蓋。

可見(jiàn)，表面張力的出現(xiàn)，是因?yàn)樵诘奈⒂^層面分子之間的吸引力不平衡；它們互相拉扯，表現(xiàn)為表面張力。

3. 什么是“馬蘭戈尼效應(yīng)（Marangoni effect）”？

馬蘭戈尼效應(yīng)（Marangoni effect）是指，由于表面張力不同的兩種液體的界面存在表面張力梯度，而使質(zhì)量傳送的現(xiàn)象。

我繼續(xù)用普通話解釋一下。

兩種液體相接觸時(shí)，表面張力大的液體對(duì)其周圍表面張力小的液體的拉力強(qiáng)，產(chǎn)生表面張力梯度（即張力差）；使液體從表面張力低向張力高的方向流動(dòng)（圖3）。這就好像是兩個(gè)對(duì)手之間的拉鋸戰(zhàn)，強(qiáng)者自然會(huì)將弱者拉到自己身邊。

圖3 馬蘭戈尼效應(yīng)效應(yīng)的示意圖

同理，同一種溶液也會(huì)因?yàn)闈舛雀叨鰪?qiáng)表面張力。所以，把濃度不同的一種溶液放在一起，也會(huì)發(fā)生馬蘭戈尼效應(yīng)，稀溶液也會(huì)向濃溶液中滲透流動(dòng)。

這種現(xiàn)象是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·湯姆森于1855年發(fā)現(xiàn)的。但意大利物理學(xué)家卡羅·馬蘭戈尼在帕維亞大學(xué)把研究這現(xiàn)象作為他的博士論文，所得結(jié)果于1865年發(fā)表。此后，就把這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為馬蘭戈尼效應(yīng)。

4. “葡萄酒的眼淚”是怎么產(chǎn)生的？

“葡萄酒的眼淚”就是由于酒水的馬蘭戈尼效應(yīng)而產(chǎn)生的。

“酒淚”的形成與酒精有關(guān)。這里首先要說(shuō)明兩點(diǎn)。一是酒精的表面張力比水小。二是酒精的揮發(fā)性很強(qiáng)。

水分子由氫原子和氧原子組成。氧原子很容易被帶正電的氫原子核吸引，這種作用力稱之為“氫鍵”。氫鍵比一般的分子間作用力強(qiáng)很多。相比之下，酒精（學(xué)名“乙醇”）分子之間的束縛力就要弱很多。水由于強(qiáng)有力的氫鍵的存在，使得其表面張力極強(qiáng)。而酒精的表面張力比水的表面張力就小很多，酒精非常容易揮發(fā)。

當(dāng)搖晃葡萄酒杯時(shí)，葡萄酒會(huì)在杯壁內(nèi)上升。加大了酒液與空氣的接觸面積。令酒精更容易揮發(fā)。一般來(lái)說(shuō)，酒精在頂部最薄的地方揮發(fā)最快。這意味著相比其他部位的酒，處于頂部的酒精濃度更低，所以頂部的表面張力更大。杯壁上的這個(gè)表面張力的差異，就將酒液“從下往上”牽引以求平衡。在酒精不斷揮發(fā)的驅(qū)動(dòng)下，液體不斷地向上流動(dòng)。但是這些酒液被拉上去后無(wú)處可去，只能在杯壁聚集，累積形成一個(gè)拱起液滴，直到表面張力的作用不足以抵抗液滴的重力而戀戀不舍地“潸然淚下”（圖4）。這就是“酒淚”的形成原理。

圖4 “酒淚”的形成原理

所以說(shuō)，“葡萄酒的眼淚”其實(shí)是酒精、水和空氣的一個(gè)“三國(guó)演義”故事，也可以說(shuō)是表面張力與重力的拉鋸戰(zhàn)劇情。

“葡萄酒的眼淚”這樣的說(shuō)辭，只是人們賦予了葡萄酒更多人性化的情感，葡萄酒顯然不具備落淚的能力；“酒腿”的說(shuō)法也只是酒色之徒高談闊論的臆想，葡萄酒顯然不具備長(zhǎng)腿的本事?！俺?陽(yáng)”同學(xué)也無(wú)需感嘆：“美酒掛杯”——是酒的離愁，還是杯的挽留？

其實(shí)呢，酒精度數(shù)高的酒，其“酒淚”、“酒腿”都漂亮。不進(jìn)行干預(yù)的話，不管紅酒、白酒，只要是度數(shù)較高的酒，都能流下“酒淚”、長(zhǎng)出“酒腿”。

不過(guò)，通過(guò)簡(jiǎn)單的人工干預(yù)的話，“酒淚”和“酒腿”就不會(huì)出現(xiàn)了——倒酒之后，只需迅速將酒杯完全遮蓋，防止酒精蒸發(fā)，然后再搖晃酒杯，“酒淚”和“酒腿”現(xiàn)象就不見(jiàn)蹤影了。

留個(gè)作業(yè)題：葡萄酒的品質(zhì)與“葡萄酒的眼淚”有關(guān)系嗎？

5. 神奇的“馬蘭戈尼效應(yīng)”有什么用？

自然界中許多定向傳輸過(guò)程，都是源于馬蘭戈尼效應(yīng)?，F(xiàn)在，已經(jīng)有很多人利用馬蘭戈尼效應(yīng)，在各種工程實(shí)際中做了很多事情。略舉幾例，勾引一下同學(xué)們的興趣。

（1）為什么不能往開(kāi)水中尿尿？

傳說(shuō)，如果一個(gè)人往熱水里撒尿，水流會(huì)逆流而上，最終小便的人會(huì)被燙傷。

很多人都針對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳說(shuō)中的一樣，熱水確實(shí)是順著溫度較低的水流逆流而上、燙傷了小JJ（圖5）。因?yàn)椋鶕?jù)馬拉高尼效應(yīng)，表面張力大小與溫度也有關(guān)系，熱水會(huì)逆流而上！

圖5 往熱水里撒尿，即使是站得高、尿得遠(yuǎn)，也有被燙傷的危險(xiǎn)

（2）為什么專家們經(jīng)常呼吁人們打掃廁所？

一個(gè)看似干凈的馬桶，其實(shí)里面往往藏著各種肉眼看不見(jiàn)的細(xì)菌或者其他東西。

馬桶不干凈，人往馬桶里小便。一不留神，細(xì)菌就會(huì)順著尿液逆流而上，引起尿路感染。

（3）在冶金、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用

如在冶金行業(yè)，由于不同金屬融化后表面張力具有差異，馬蘭戈尼效應(yīng)會(huì)使得液態(tài)金屬發(fā)生遷移，從而導(dǎo)致不同金屬的分布發(fā)生不均。看似毫不相干的葡萄酒與冶金行業(yè)，因?yàn)橥环N物理現(xiàn)象而聯(lián)系在了一起！

（4）海水淡化技術(shù)

海水和空氣之間的界面存在鹽濃度梯度，并由此產(chǎn)生表面張力梯度，其為溶劑和鹽份溶質(zhì)的移動(dòng)提供了額外驅(qū)動(dòng)力。沿該界面的表面張力梯度產(chǎn)生切向力，形成滑移速度，驅(qū)動(dòng)海水從低表面張力向高表面張力方向流動(dòng)（圖6）。

圖6 海水淡化技術(shù)的“馬蘭戈尼效應(yīng)”工作原理

（5）馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)液體鋪展及其生成圖案，以及液面下方溶液中的馬蘭戈尼對(duì)流。

香港大學(xué)機(jī)械工程系岑浩璋教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，偕同法國(guó)巴黎 - 薩克雷大學(xué)Neil Ribe教授的研究團(tuán)隊(duì)，在Nature Communications上發(fā)表了他們的研究論文：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。該論文報(bào)道了他們?cè)诹黧w力學(xué)范疇取得突破性進(jìn)展，在雙水相系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)出一種三維的馬蘭戈尼物質(zhì)傳輸體系（圖7）。物質(zhì)可以按照規(guī)律性方式從液滴傳輸至液面并且有序鋪展，為開(kāi)發(fā)革新性自動(dòng)紡絲系統(tǒng)提供嶄新思路。

圖7 馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)液體鋪展及其生成圖案，以及液面下方溶液中的馬蘭戈尼對(duì)流

（6）馬蘭戈尼效應(yīng)用于血液透析

在醫(yī)學(xué)上，有人利用馬蘭戈尼效應(yīng)發(fā)明了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)幫助血液透析（圖8）。使用這種方法，人們可以更有效地實(shí)現(xiàn)血液透析。

圖8 馬蘭戈尼效應(yīng)用于血液透析

血液透析是急慢性腎功能衰竭患者腎臟替代治療方式之一。通過(guò)將體內(nèi)血液引流至體外，經(jīng)一個(gè)由無(wú)數(shù)根空心纖維組成的透析器中，血液與含機(jī)體濃度相似的電解質(zhì)溶液（透析液）在一根根空心纖維內(nèi)外，隔著半透膜進(jìn)行透析，通過(guò)彌散、超濾、吸附和對(duì)流原理進(jìn)行物質(zhì)交換，清除體內(nèi)的代謝廢物、維持電解質(zhì)和酸堿平衡；同時(shí)清除體內(nèi)過(guò)多的水分，并將經(jīng)過(guò)凈化的血液回輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程稱為血液透析。

血液透析的主要原理是：彌散+對(duì)流。那么，如何做到血液和電解質(zhì)溶液的均勻鋪展和對(duì)流擴(kuò)散，就是一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。“馬蘭戈尼效應(yīng)”又在其中發(fā)揮了重要作用。

最后，簡(jiǎn)短總結(jié)一下：表面張力>馬蘭戈尼效應(yīng)>葡萄酒的眼淚>馬蘭戈尼效應(yīng)的工程應(yīng)用。順著這條主線，我們從“葡萄酒的眼淚”到神奇的“表面張力”，體會(huì)到了很多看似尋常不過(guò)的現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏著多么有趣的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題；理解和掌握了這些科學(xué)問(wèn)題，我們就能學(xué)以致用，創(chuàng)造和改變自然世界。