出品：科普中國
制作：魏昕宇
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
說到彈珠 ， 大家應該都不陌生吧 。 童年的時候 ， 幾位要好的小伙伴放學后聚在一起玩耍 ， 拿出各自心愛的彈珠 ， 或者彼此撞擊 ， 或者比賽誰的彈珠先滾進洞里 ， 玩得不亦樂乎 。 這樣的情形 ， 相信已經成為許多朋友終生難忘的美好回憶 。
今天 ， 筆者要向大家介紹一種特殊的彈珠——“液體彈珠”（liquid marbles） 。 顧名思義 ， 制作這種彈珠的材料不是大理石或者玻璃 ， 而是液體 。
液體彈珠如何制備？
很簡單 ， 例如只要把一滴水滴在鋪滿聚四氟乙烯微粒的盤子上 ， 然后搖動盤子 ， 讓水滴滾動幾番 ， 水滴表面就會沾滿聚四氟乙烯的微粒 。 這時 ， 我們會驚奇地發現 ， 這滴水變得像小石球一樣在固體表面滾動自如 ， 毫無阻力 。 此時 ， 我們就得到了一顆液體彈珠 。
三種不同的液體彈珠 ， 表面的固體微粒分別為聚四氟乙烯（A）、石松孢子（B）和炭黑（C） ， 前兩種固體為疏水材料 ， 炭黑則略具親水性 。 （圖片來源：Edward Bormashenko, Langmuir, 2017, 33, 663）
這里提到的聚四氟乙烯就是大名鼎鼎的不粘鍋涂層特氟龍 。 聚四氟乙烯的一大特點就是不容易讓水沾在其表面 ， 但是在制備液體彈珠時 ， 怎么遇到水滴 ， 它們又主動“貼上去”了呢？
要理解這些看似矛盾的現象 ， 我們必須弄清問題的本質 。
液體彈珠的形成和表面能有關
同樣的一滴水 ， 為什么在有些物質表面會很容易鋪展開？例如潔凈的玻璃上 ， 而在聚四氟乙烯這樣的表面上又會傾向于保持原先的液滴形狀呢？
這歸根結底是能量這只看不見的“手”在起作用 。
在固體內部 ， 組成它的分子或者原子總是被“自己人”環繞 ， 但在固體表面 ， 這些原子或者分子必須面對“異端”——空氣分子 。 這就造成了一個額外的能量 ， 我們稱之為表面能 。 它可以被理解為創造一個新的表面所需要的能量 。 就像高處的物體會自由下落以減少重力勢能 ， 一個體系也總是試圖讓自身的表面能降至最低 。
如果在固體表面鋪上一層水 ， 那么固體表面雖然不再和空氣接觸 ， 但會和水接觸 ， 而水分子則與空氣分子保持接觸 。 因此 ， 原先固體-氣體界面的表面能被固體-液體界面和液體-氣體界面的表面能所取代 。
對于玻璃、金屬等固體來說 ， 與空氣接觸實在是“太痛苦了” ， 在表面鋪滿水后 ， 雖然看起來表面能由一份變成兩份 ， 但總的能量反而下降了 ， 整個體系變得更加穩定 ， 因此它們非?！皻g迎”水在其表面“安營扎寨” 。 用術語來講 ， 就是能夠被水浸潤 。 這樣的固體 ， 我們稱之為親水材料 。
相反 ， 對于聚四氟乙烯等固體來說 ， 和水相接觸并不比和空氣相接觸強太多 ， 何況又平添水和空氣界面的表面能 ， 總的能量不降反升 ， 自然沒必要如此“折騰” 。 因此當我們把一滴水放在聚四氟乙烯表面上時 ， 雖然重力仍然會促使液滴流動鋪展 ， 但當液滴足夠小時 ， 重力的“話語權”變得可以忽略不計 ， 此時液滴仍然會盡可能地保持原有的球形 。 像這樣的固體 ， 我們稱之為疏水材料 。
但當我們站在液滴的角度考慮時 ， 就會發現問題又不一樣了 。
聚四氟乙烯表面上的水滴并不是完全保持球形 ， 而是會發生一定的變形 ， 從而與固體表面相接觸 。 這意味著對于水來說 ， 哪怕是與疏水的表面相接觸 ， 仍然好過與空氣接觸 。 因此 ， 水滴其實“歡迎”聚四氟乙烯的微粒停留在自身表面 。
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