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，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，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部；在此合力的作用下，這些液體分子就像被向內拉拽著一樣。這會產生液體內部壓力，并迫使液體表面具有向內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，液體表現得好像其表面被拉伸的彈性膜覆蓋。

可見，表面張力的出現，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，而使質量傳送的現象。

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。

這種現象是英國物理學家詹姆斯·湯姆森于1855年發(fā)現的。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象作為他的博士論文，所得結果于1865年發(fā)表。此后，就把這種現象統稱為馬蘭戈尼效應。

4. “葡萄酒的眼淚”是怎么產生的？

“葡萄酒的眼淚”就是由于酒水的馬蘭戈尼效應而產生的。

“酒淚”的形成與酒精有關。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?！俺?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”現象就不見蹤影了。

留個作業(yè)題：葡萄酒的品質與“葡萄酒的眼淚”有關系嗎？

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在，已經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的實驗。實驗結果和傳說中的一樣，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，根據馬拉高尼效應，表面張力大小與溫度也有關系，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)，因為同一種物理現象而聯系在了一起！

（4）海水淡化技術

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

圖6 海水淡化技術的“馬蘭戈尼效應”工作原理

（5）馬蘭戈尼效應驅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，在雙水相系統中開發(fā)出一種三維的馬蘭戈尼物質傳輸體系（圖7）。物質可以按照規(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提供嶄新思路。

圖7 馬蘭戈尼效應驅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。通過將體內血液引流至體外，經一個由無數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溶液（透析液）在一根根空心纖維內外，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交換，清除體內的代謝廢物、維持電解質和酸堿平衡；同時清除體內過多的水分，并將經過凈化的血液回輸的整個過程稱為血液透析。

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溶液的均勻鋪展和對流擴散，就是一個關鍵的科學技術問題。“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。