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。

醉臥沙場君莫笑，

古來征戰(zhàn)幾人回？

這是唐代邊塞詩人王翰的《涼州詞》。開篇一句，盡顯風光奢靡的小資情調(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。

詩情畫意，按下不表，單單說說“葡萄酒的眼淚”。

1. 什么是“葡萄酒的眼淚”？

喝葡萄酒時，一般來說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”。

當我們輕輕晃動葡萄酒杯的時候，酒液在杯中打轉(zhuǎn)，然后在杯壁上面便會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；細細的、長長的，既像美女細長的美腿，又像林黛玉香腮上的淚水。這些酒柱，就是傳說中的“酒淚”、“酒腿”、“酒腳”或者“掛杯”。浪漫的法國人將其稱為“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，還是為自身的愛莫能助而心痛？又或者是誰把傷心的眼淚滴進了酒里？

葡萄酒為什么會有“眼淚”？在回答這個問題之前，我們先學習一點基礎知識。

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。

定義很嚴謹，但專業(yè)術(shù)語不好理解。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方向，因此它們的合力為零（圖2）。

圖2 表面作用力的機理

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。

同時，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，表面張力的出現(xiàn)，是因為在的微觀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（Marangoni effect）”？

馬蘭戈尼效應（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，表面張力大的液體對其周圍表面張力小的液體的拉力強，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（圖3）。這就好像是兩個對手之間的拉鋸戰(zhàn)，強者自然會將弱者拉到自己身邊。

圖3 馬蘭戈尼效應效應的示意圖

同理，同一種溶液也會因為濃度高而增強表面張力。所以，把濃度不同的一種溶液放在一起，也會發(fā)生馬蘭戈尼效應，稀溶液也會向濃溶液中滲透流動。

這種現(xiàn)象是英國物理學家詹姆斯·湯姆森于1855年發(fā)現(xiàn)的。但意大利物理學家卡羅·馬蘭戈尼在帕維亞大學把研究這現(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。

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而產(chǎn)生的。

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

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很多。相比之下，酒精（學名“乙醇”）分子之間的束縛力就要弱很多。水由于強有力的氫鍵的存在，使得其表面張力極強。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)。

當搖晃葡萄酒杯時，葡萄酒會在杯壁內(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)。一般來說，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)動下，液體不斷地向上流動。但是這些酒液被拉上去后無處可去，只能在杯壁聚集，累積形成一個拱起液滴，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，“葡萄酒的眼淚”其實是酒精、水和空氣的一個“三國演義”故事，也可以說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”的說法也只是酒色之徒高談闊論的臆想，葡萄酒顯然不具備長腿的本事。“程*陽”同學也無需感嘆：“美酒掛杯”——是酒的離愁，還是杯的挽留？

其實呢，酒精度數(shù)高的酒，其“酒淚”、“酒腿”都漂亮。不進行干預的話，不管紅酒、白酒，只要是度數(shù)較高的酒，都能流下“酒淚”、長出“酒腿”。

不過，通過簡單的人工干預的話，“酒淚”和“酒腿”就不會出現(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)象就不見蹤影了。

留個作業(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”有什么用？

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

（1）為什么不能往開水中尿尿？

傳說，如果一個人往熱水里撒尿，水流會逆流而上，最終小便的人會被燙傷。

很多人都針對這個問題做了相關(guān)的實驗。實驗結(jié)果和傳說中的一樣，熱水確實是順著溫度較低的水流逆流而上、燙傷了小JJ（圖5）。因為，根據(jù)馬拉高尼效應，表面張力大小與溫度也有關(guān)系，熱水會逆流而上！

圖5 往熱水里撒尿，即使是站得高、尿得遠，也有被燙傷的危險

（2）為什么專家們經(jīng)常呼吁人們打掃廁所？

一個看似干凈的馬桶，其實里面往往藏著各種肉眼看不見的細菌或者其他東西。

馬桶不干凈，人往馬桶里小便。一不留神，細菌就會順著尿液逆流而上，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，馬蘭戈尼效應會使得液態(tài)金屬發(fā)生遷移，從而導致不同金屬的分布發(fā)生不均?？此坪敛幌喔傻钠咸丫婆c冶金行業(yè)，因為同一種物理現(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)的移動提供了額外驅(qū)動力。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)動海水從低表面張力向高表面張力方向流動（圖6）。

圖6 海水淡化技術(shù)的“馬蘭戈尼效應”工作原理

（5）馬蘭戈尼效應驅(qū)動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流。

香港大學機械工程系岑浩璋教授率領(lǐng)的研究團隊，偕同法國巴黎 - 薩克雷大學Neil Ribe教授的研究團隊，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。該論文報道了他們在流體力學范疇取得突破性進展，在雙水相系統(tǒng)中開發(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，為開發(fā)革新性自動紡絲系統(tǒng)提供嶄新思路。

圖7 馬蘭戈尼效應驅(qū)動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流

（6）馬蘭戈尼效應用于血液透析

在醫(yī)學上，有人利用馬蘭戈尼效應發(fā)明了一個系統(tǒng)來幫助血液透析（圖8）。使用這種方法，人們可以更有效地實現(xiàn)血液透析。

圖8 馬蘭戈尼效應用于血液透析

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。通過將體內(nèi)血液引流至體外，經(jīng)一個由無數(shù)根空心纖維組成的透析器中，血液與含機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，隔著半透膜進行透析，通過彌散、超濾、吸附和對流原理進行物質(zhì)交換，清除體內(nèi)的代謝廢物、維持電解質(zhì)和酸堿平衡；同時清除體內(nèi)過多的水分，并將經(jīng)過凈化的血液回輸?shù)恼麄€過程稱為血液透析。

血液透析的主要原理是：彌散+對流。那么，如何做到血液和電解質(zhì)溶液的均勻鋪展和對流擴散，就是一個關(guān)鍵的科學技術(shù)問題。“馬蘭戈尼效應”又在其中發(fā)揮了重要作用。

最后，簡短總結(jié)一下：表面張力>馬蘭戈尼效應>葡萄酒的眼淚>馬蘭戈尼效應的工程應用。順著這條主線，我們從“葡萄酒的眼淚”到神奇的“表面張力”，體會到了很多看似尋常不過的現(xiàn)象背后蘊藏著多么有趣的基礎科學問題；理解和掌握了這些科學問題，我們就能學以致用，創(chuàng)造和改變自然世界。