每日科普 | 一穿白衣服就会溅到油，这可能是油的问题，不是你的问题

摘要：英国工程师、物理学家詹姆斯·汤姆森（James Thomson，开尔文勋爵的弟弟）在 1855 年发表了一篇题为《在葡萄酒和其他酒精饮料表面观察到的奇怪现象》（On certain curious motions observable at the surfa

原创江苏科技报

英国工程师、物理学家詹姆斯·汤姆森（James Thomson，开尔文勋爵的弟弟）在 1855 年发表了一篇题为《在葡萄酒和其他酒精饮料表面观察到的奇怪现象》（On certain curious motions observable at the surfaces of wine and other alcoholic liquors）的论文。他在论文里第一次系统阐述并解释了葡萄酒为什么会“流泪”。

汤姆森发现，如果用水润湿容器壁，再把足量的酒精滴入容器中央，或是沿容器壁滴入酒精，便会看到液体沿着湿润的内壁面向上爬升，直到在重力的作用下重新流下。他把这一现象归因于水与酒精的表面张力差异。也就是说，壁面上含水较多的部分比下方含酒精更多的部分具有更大的表面张力，因此前者会拉动着后者往上爬升。

你喝葡萄酒时很可能遇见过这种现象：晃动一下葡萄酒酒杯，会看到酒杯的内壁上出现了一条条透明的柱状液体，就像葡萄酒流下了一行行眼泪一样。这就是所谓的“酒泪”（tears of wine）或者说“挂杯”。

酒泪（图片来源：wikimedia commons/CC BY-SA 3.0

汤姆森也在论文里解释了“酒泪”这一现象。酒精比水挥发得更快。因此，晃动到液面以上而附着在杯壁上的液膜，会随着酒精快速挥发，而比下方主液体的含水量更高。这样就会形成一个表面张力梯度，使得杯壁上的液膜拉动着杯中的酒液向上爬，导致这些液体在杯壁上聚集，再在重力的影响下流回主液体，形成所谓的“酒泪”。

接下来，汤姆森做了更多实验来展示表面张力差异如何驱动液体自发流动，特别是高表面张力区域会拉动低表面张力区域的物理原理。汤姆森的观察可谓是微流体学、界面科学、自组织系统研究的早期雏形。他所描述的环流、涡旋、对流模式，与现代研究中的“咖啡环效应”“蒸发自组装”“热毛细对流”等现象本质相通。

然而，遗憾的是，汤姆森的这项研究在相当长一段时间里一直遭到忽视。尽管它在 1869 年被相关领域的一篇综述引用，且仅两年之后，这篇综述涉及的研究就得到了意大利物理学家卡洛·马兰戈尼（Carlo Marangoni）的重新分析，但汤姆森的论文却再次被忽视了。这也许可以解释为什么液体这种因表面张力梯度而造成的酒泪等现象，普遍被称作“马兰戈尼效应”（Marangoni Effect），而与汤姆森的名字无关。

现在，马兰戈尼效应仍然是一个引人入胜的研究领域，广泛应用于微流体、涂层、昆虫在水面上行走等领域，为理解这些复杂的现象提供了理论基础。它本质上涉及物质（最常见的是液体）在两相界面之间的转移，主要是源于表面张力梯度。不过，这种梯度还可能由其他因素引起，比如浓度差异或温度差异等等。

其中，香港城市大学教授朱平安一直想要探究一种存在温度梯度的情况：当滚烫液滴撞击固体表面时会发生什么——想象下热油滴溅到衣服上后，是粘在衣服上，还是能弹起来离开表面？马兰戈尼效应又会在其中发挥怎样的作用？

液滴弹跳

液滴弹跳是一种在自然界与工业过程中广泛存在的现象，从雨滴在荷叶上轻盈跃起，到烹饪时水滴在热锅中“滋滋”作响并四散飞溅，再到高温液滴与冷表面的碰撞。“液滴顺利从表面弹起”中涉及的关键原理广泛应用于自清洁表面、防冰涂层、散热技术和能量收集等领域。

热锅和水滴之间的水蒸气会阻隔热传导，让水滴不会立刻蒸发。图片来源：wikimedia commons/CC BY-SA 3.0

为了实现液滴的高效弹跳，以往的研究主要集中于表面工程上，比如设计具有超疏水性能的微纳结构表面。除了表面工程处理，液滴与表面之间若存在一层薄空气膜，也可能增强弹跳。其中我们最熟悉的例子便是热锅里滚动的水珠。

我们大多数人都知道，把水滴到加热的锅中时，假如锅的温度仅高于水的沸点，水会沸腾，一边发出嘶嘶声，一边很快地汽化掉。可是假如锅的温度足够高，水就会形成水珠在锅里面四处滚动，并缓慢地汽化。

这就是德国医生约翰・G.莱顿弗罗斯特（Johann G. Leidenfrost）于 18 世纪发现的异常现象。为了纪念他，这一现象后来被称作莱顿弗斯特效应（Leidenfrost effect）。也就是当液体接触一块远超其沸点的物体或表面时，会在液体表面形成一层有隔热作用的蒸气。这层蒸气能够阻隔液滴与基底表面的接触，也能托住上面的液滴。

当热液滴撞击冷表面

相较之下，朱平安主要把目光投向了他认为“更有活力”的液滴，即那些会发生反应，会燃烧，携带着许多热量的活性液滴。在他看来，在液滴弹跳领域中，这样的液滴长期被隐没于科研的边缘，却在我们的生活里几乎无处不在。不论是在烟花绽放的夜空，在发动机燃烧室的烈焰深处，还是在火灾蔓延的危急时刻，随着温度攀升，朱平安团队实验里的主角——高温或燃烧的液滴就会立刻登场。

可是，通常而言，这些高温液滴一旦黏附于冰冷的表面或缸壁上，便如困于泥沼一般。以往对滚烫液滴撞击较冷固体表面的研究揭示了一个令人沮丧的事实：高温不会帮助液滴从较冷的表面弹起，反而会让它们趋于在表面铺展开来。

这会导致燃烧不完全，碳烟四起，也会使机器效率骤降，甚至会加速火势蔓延。因此，增强燃烧或者高温液滴的弹跳能力，让它们迅速从较冷的表面“脱身而去”，就成了解决许多工程与安全问题的关键。

于是在这项研究中，朱平安把注意力放在了马兰戈尼效应中温度差异引发物质自发移动的可能性，结果揭示了一种新的液滴弹跳机制。他们发现利用这种机制，可以让热油滴自发地从几乎任何表面反弹。相关研究于近期发表在《牛顿》（Newton）杂志上。

他们使用大豆油、十六烷和硅油等低挥发性油性液体，测试了这些油滴在室温、加热和燃烧状态下，在多种冷固体表面上的弹跳行为，包括光滑的玻璃、带有划痕的玻璃，还有疏水的表面。同时，他们通过高速摄像机和热成像仪追踪这些液滴撞击表面的过程，并辅以计算机模拟来分析液滴的行为。

结果显示，室温下的液滴如预期般附着在所有表面上，而加热和燃烧状态下的液滴却弹跳了起来。研究者发现，随着热液滴接近底下温度较低的表面，液滴底部比顶部冷却得更快，导致液滴内部较热的液体从边缘流向底部，即在液滴内部引发了马兰戈尼对流（由温度梯度引发的对流）。这会使空气被卷入到液滴底部，形成一层缓冲气膜，阻止液滴与表面接触，从而增强液滴的弹跳能力。