王振东:长使英雄泪满襟——漫话润湿现象及其应用

选择字号:   本文共阅读 5493 次 更新时间:2006-10-13 09:48:23

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王振东 (进入专栏)  

  

  诗词中的润湿现象

  

  蜀相祠堂何处寻, 锦官城外柏森森。

  映阶碧草自春色, 隔叶黄鹂空好音。

  三顾频烦天下计, 两朝开济老臣心。

  出师未捷身先死, 长使英雄泪满襟。

  这是杜甫(712~770)移居成都,筑草堂于浣花溪,找寻武候词堂拜谒后,所写的七言律诗《蜀相》。他到词堂后,一不观赏殿宇巍巍,二不瞻仰塑像凛凛,而注意到的是阶前的萋萋碧草,叶外黄鹂的数声呖呖。在这荒凉之境,想到了三顾茅庐的知人善任、始终不渝,两朝辅佐的鞠躬尽瘁、死而后己,使得诗人不禁老泪纵横,襟袖湿润。有诗评人指出:“长使英雄泪满襟”的英雄,当指包括老杜在内的千古仁人志士,为国为民的大智大勇者。这篇以“泪满襟”的润湿现象来抒发情感的七律,使天下后世,凡读到此诗者,无不为之感动。

  唐宋诗词作者常以润湿现象来抒发别离和思念的感情,有的还引申到美丽景色使身心受到滋润和浸染,用以展示景色给人心灵以诗意般的感受,如:

  王勃(约650~676)《送杜少府之任蜀川》诗

  海内存知己,天涯若比邻。无为在歧路,儿女共沾巾。

  杜甫《哀江头》诗

  人生有情泪沾臆,江水江花岂终极。

  孟浩然(689~740)《与诸子登岘山》诗

  羊公碑尚在,读罢泪沾襟。

  刘长卿(?~约786)《饯别王十一南游》诗

  望君烟水阔,挥手泪沾巾。

  杜审言(约645~708)《和晋陵陆丞早春游望》诗

  忽闻歌古调,归思欲沾巾。

  陆游(1125~1210)《新津小宴之明日欲修觉寺以雨不果呈范舍人》诗

  风雨长亮话别离,忍着清泪湿燕脂。

  王维(?~761)《山中》诗

  荆溪白石出,天寒红叶稀。山路元无雨,空翠湿人衣。

  张旭《山中留客》诗

  纵使清明无雨色,入云深处亦沾衣

  辛弃疾(1140~1207)《木兰花慢•席上送张仲固帅兴元》词

  追亡事,今不见,但山川满目泪沾衣。

  这里,湿、沾均是润湿之意。

  另外,在唐诗中也有描述不润湿现象的,如:

  韦应物(约735~约792)《咏露珠》诗

  秋荷一滴露,清夜坠玄天;将来玉盘上,不定始知圆。

  这首五言绝句,生动地描绘了秋夜由天空掉下的一个露滴,落到展开的碧绿的荷叶面上,成为晶莹透亮的水珠,滚来滚去,煞是好看。“不定始知圆”是说,由于看到露珠在荷叶面上滚来滚去,方知它是圆球形。其实,秋荷上的露珠也并不一定是从天空掉下来的,秋天的后半夜空气湿度大、温度低,在荷叶上凝结的露水,也可形成露珠。但由现代科学来看,韦应物这首诗正是描述了一滴露珠在荷叶面上不润湿的力学现象。

  稍后,白居易(772~846)也有—首七绝《暮江吟》

  一道残阳铺水中,半江瑟瑟半江红。

  可怜九月初三夜,露似真珠月似弓。

  也写出了露珠在绿草上的不润湿现象,这首诗是诗人于822年赴任杭州刺史途中所写。他选取了在红日西沉的黄昏和一弯新月的夜晚两组景物,生动地描绘了所观察到的力学现象。前两句描绘了残阳中水面皱起的波动;接近地平线的“残阳”,几乎贴着地面照射过来,像是铺在江上;而暮江水缓缓流动,江面上细波粼粼,波纹受光多的部分,呈现一片红色;受光少的部分,呈现出如同青玉般的深碧色。后两句描绘了新月下,露珠在江边绿草上因不润湿而形成的奇特现象:九月初三夜十分可爱,当凉露下降的时候,江边草地的绿草上因为不润湿而挂满了晶莹的露珠;在弓也似的一弯新月的清辉下,圆润的露珠闪烁着光泽,就像是镶嵌在上面的粒粒真珠(珍珠)一样。

  

  润湿与不润湿的现象

  

  液体对固体的润湿,是指液体与固体接触时,沿固体表面扩展的现象。将一滴液体,放在一均匀平滑的固体表面上,会产生两种情况:一种是液体完全展开覆盖固体表面;另一种是液滴与固体表面形成一定角度仍留在固体表面上。这个在固、液、气三相交界处,自固—液界面经过液体内部到气—液界面之间的夹角称为接触角。接触角的大小可以反映液体对固体表面的润湿情况。接触角越小,润湿得越好。习惯上将液体在固体表面上的接触角等于90度时定义为润湿与否的界线。接触角大于90度时为不润湿,接触角小于90度则为润湿。水与洁净玻璃的接触角等于零度,为完全润湿;水与荷叶面的接触角等于160度,水银与玻璃面的接触角等于138度,所以水在荷叶面上、水银在玻璃面上都收缩成球形。杜甫、孟浩然、陆游、王勃、王维、辛弃疾等人的诗词涉及的是润湿,而韦应物、白居易的诗,则涉及的是不润湿。

  古人对润湿的作用早有认识。这可以追溯到汉代淮南王刘安(公元前179~前122)等撰写的《淮南子》。它所表述的道家自然天道观中就有“山云蒸,柱础润”之说。后来宋代苏东坡之父苏洵(1009~1066)在《辨奸论》中说“月晕而风,础润而雨”,己明确将础石由于润湿出现的潮湿,作为将要下雨的征兆。

  在自然界、工程技术和日常生活中,液体对固体的润湿或不润湿的现象,都有重要的意义和作用。彩色感光材料和录音、录像磁带在生产过程中,都要将配制好的感光材料涂液或磁浆,又快又均匀地涂布到固体薄片基上,然后再干燥、裁切、整理包装成产品。能不能又快又均匀地涂上去,就与所涂液体能否在固体薄片基(现通常是采用涤纶薄膜片基)上润湿,并能迅速铺展开来密切相关。现在比较讲究的印刷纸张表面要加上一层薄薄的涂料,其涂布过程,也要考虑涂液对纸基需要有好的润湿性能。在印刷过程中,要又快又好地印出多彩的图案来,各种油墨对纸张也要有好的润湿性能。即使在日常生活中,墙壁的刷浆、家具的刷漆,均都有类似的需要润湿性能好的问题。

  生活中有时也希望应用不润湿的现象。几乎所有的防水用品,都希望水对其不润湿。例如风雨衣、雨伞的面布,就希望雨水打到上面后不润湿,形成水珠落下。

  据报道,法国有人看到郁金香花瓣的表面粗糙不平,上面有许多仿佛人汗毛形状的物质,当水滴到郁金香花瓣上,因不润湿而保持圆珠状,并自己滑走;从而试图把这—原理嫁接到汽车的挡风玻璃上,将玻璃表面处理成郁金香花瓣表面那样,使水不润湿。当雨水落在这种经过改造的挡风玻璃上,会保持圆珠状,当汽车在行驶时,由于风吹和重力的原因,雨滴会自动滑走。如果这一技术成功,汽车的雨刷将成为摆设。其实,从一千多年前韦应物和白居易的诗,我们也应可以得到启发,仿照荷叶面或小草表面来改造玻璃面,使雨水完全不润湿,也可以达到雨滴从汽车挡风玻璃上自动滑走的目的。

  若将一滴液体放到另—种与它不相混溶的液体表面上,则也有润湿与否(亦称能否铺展)的现象。可能发生以下情况:

  (1)一种液体(例如油)在另一种液体(例如水)表面上不铺展,形成漂浮的油滴式“透镜”;

  (2)一种液体在另一种液体表面上展开形成双重膜,此膜有相当的厚度,形成液1—液2、液1—空气两个界面;

  (3)一种液体在另一种液体上展开,形成一单分子膜。

  这种液体与另一种和它不相溶的液体之间润湿与否的现象,与发展先进的石油采油技术密切相关。储存在地下石灰岩及其他多孔介质中的原油,经过喷出(称为一次采油)、抽油机抽出(称为二次采油,即平时所常见的“磕头机”抽油)之后,几乎还有一半的石油仍粘附在孔隙中,没有被采出。为迫使这些原油流出,就要在采油井附近再打另一口井,将水(或其他高分子液体)从这口井加压注入,迫使粘附在孔隙中的石油流向采油井再抽出(称为三次采油)。现代科学研究发现,将水加压注入高黏性液体中时,水是按照具有很多细小、且高度分枝的线段组成的珊瑚状分形结构前进的,称为黏性指进(viscous fingering)。黏性指进限制了三次采油的效率。因为当水的细指如果由于润湿性能不合适,而从注水井到采油井这段距离破裂时,就有可能从采油井采出的将是注入的水,而不是油,或者水多油少,实际上在油田经常发生这种情况。因此必须在研究黏性指进时,考虑润湿的因素,才能找到控制它们的方法,以发展先进有效的采油技术。

  

  润湿过程与表面张力

  

  润湿过程大体可分为沾湿、浸湿和铺展三类,每一类过程都有定量的公式。用它可判断这一过程能否自发(或自动)进行。

  沾湿是指液体与固体接触,变液—气界面、固—气界面为固—液界面的过程。液体对固体的沾湿能力可用黏附功表示。根据热力学,在等温等压的条件下,黏附功大于等于零的过程为天然过程的方向,这就是沾湿过程自发进行的条件。

  浸湿是指固体浸入液体的过程,即变固—气界面为固—液界面的过程。液体表面在此过程中没有变化。浸湿的能力用浸湿功表示。若接触角小于等于90度,则浸湿过程可以自发进行。

  铺展是一种液体在另一种液体表面上展开的过程。其能力可用铺展系数来判断。若铺展系数大于等于零,则液体1能在液体2表面上自动展开。

  上面3种情况均涉及到液体的表面张力,那么什么是表面张力,它与润湿现象有什么关系呢?

  表面张力是指垂直地通过液体表面上任一单位孤元,并沿着与液面相切方向的收缩表面的力,以毫牛顿/米为单位。液体表面的基本特性是倾向于收缩,即总是尽可能取最小的表面积。一切容积相等的形状中,以球形的表面积为最小,因此小量水银和露珠会趋向球形,肥皂膜会自动收缩成滴。这就是韦应物、白居易诗中露珠成球形的原因。

  表面张力与润湿现象的联合作用,形成了毛细现象。毛细现象是指将内径很小的管子(毛细管)插入液体中,管内外液面产生高度差的现象。当液体与构成毛细管的固体材料润湿时,管中液面升高并呈凹状;当液体与毛细管材料不润湿时,管中液面下降并呈凸形。毛细现象在科学技术和日常生活中经常可以见到。含有许多毛细管的“上水石”,可作为盆景中的假山,它正是靠水因毛细作用上升的现象,使假山上的植物获得水分。植物所以能够通过根和茎将土壤中的水和养分吸收到自己机体中来,其重要原因也是凭借机体中的毛细管和毛细作用。润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器,靠的也是毛细现象。大量多孔性的固体材料,如纸张、纺织品、粉笔等能够吸水,是因为水能润湿这些多孔性物质,从而产生毛细现象。“山云蒸,柱础润”,“础润而雨”,础石是多孔性材料,也正是因空气中所含大量水分,由毛细现象使础石潮湿,从而可以作为空气湿度大,将要下雨的预示。

  既然表面张力和润湿与否密切相关,那么有没有办法通过加合适的化合物,使液体的表面张力改变,从而改变液体对固体的润湿性能呢?科学研究表明,确有这样的化合物能在很低浓度时,就可显著降低液体的表面张力和固—液界面的界面张力,以改善润湿性能,使液体更易润湿固体。也有这样的化合物,它能降低液—液界面的界面张力,使一种液体能在另一种与它不相混溶的液体表面上更快、更好地铺展。这样的化合物,通常称为表面活性剂或润湿剂。我国感光材料工业就曾使用过合适的润湿剂,攻克了因润湿性能不好、涂布不够均匀,致使冲洗出的彩色电影胶片发花、发闪的难题。我们相信,如选择采用了合适的表面活性剂,将会提高三次采油的采油效率,也会制造出更多更好的工业品与日常生活用品来。

  

  关键词:润湿,不润湿,表面张力,毛细现象

  

  (本文原刊登于《自然杂志》2006年28卷1期,原文中的公式及图己略去。作者授权天益发布)

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