沙子+水，怎么就成了沙堡？

在海邊玩的時(shí)候，總能在沙灘上看到大大小小的“沙雕”。不要想錯(cuò)，就是那些用沙子堆起來的堡壘。入門級的就是一個(gè)個(gè)小山包，更高級的則五花八門，有動(dòng)物的、人形的、卡通的。沙雕的造型千變?nèi)f化，仿佛每一粒沙子都有了靈魂。

圖源：攝圖網(wǎng)

建造沙雕時(shí)，需要將沙和水混合，一般認(rèn)為8桶沙子兌1桶水是比較合適的比例。加上水后，原本粒粒分明、非常松散的沙子就能被粘合起來，形成結(jié)實(shí)的團(tuán)塊。這時(shí)就可以像捏橡皮泥一樣，把大塊的沙子塑造成各式各樣的形狀，并像搭積木一樣把它們組裝成沙雕。那為什么簡單加點(diǎn)水就可以使沙粒粘合起來呢？

01水沙混合的神奇魔法

如果我們放大一堆潮濕的沙子，就會發(fā)現(xiàn)在沙粒和沙粒之間會沾上一小段水柱，這部分水柱的側(cè)表面會向內(nèi)凹陷。在凹陷液面的切線方向上，水柱能向兩側(cè)的沙粒產(chǎn)生一個(gè)拉力作用，使兩側(cè)的沙粒相互靠近，產(chǎn)生黏結(jié)在一起的效果。

沙粒之間的液橋能夠提供粘合力，其本質(zhì)是液體的表面張力圖源：@中科院物理所

這些現(xiàn)象都有著科學(xué)上的名字。沙粒之間的水柱，叫做液橋。凹陷液面上的拉力，叫做液體的表面張力。

由于表面張力產(chǎn)生的黏結(jié)、靠攏甚至是相對運(yùn)動(dòng)，我們稱這一類現(xiàn)象為毛細(xì)現(xiàn)象?？梢?，水的表面張力是沙粒粘合的本質(zhì)原因，那它又是怎么出現(xiàn)的呢？這就要從更加微觀的角度來解釋。一滴水中包含了大量的水分子。在分子和分子之間，也會存在一定的相互作用，稱為分子間作用力，或者叫做范德華力（van der Waals force）。當(dāng)兩個(gè)分子間的距離太近時(shí)，兩者之間呈現(xiàn)排斥力；而當(dāng)兩個(gè)分子間的距離太遠(yuǎn)時(shí)，兩者之間呈現(xiàn)吸引力。

分子間作用力隨分子間距離的變化關(guān)系圖源：作者手繪

在水滴內(nèi)部，每個(gè)水分子在前后左右各個(gè)方向上都與其他水分子存在相互作用。由于分子間作用力的特點(diǎn)，這些水分子會自動(dòng)調(diào)整相互之間的距離，使得每個(gè)分子在各個(gè)方向上受到其他分子的合力達(dá)到平衡狀態(tài)。相當(dāng)于吸引力等于排斥力。但是，在水滴表面和空氣相鄰的薄薄一層中，情況就不一樣了。

和水滴內(nèi)部不同，對于表面的水分子，只有在水滴切面和向內(nèi)方向上存在其他水分子的相互作用，這會破壞空間和受力的對稱性。自動(dòng)調(diào)整距離后，表面水分子的分布會較水滴內(nèi)部更為稀疏，分子間的距離拉大，從而在水滴表面上體現(xiàn)出整體的吸引作用。這就是表面張力的來源。

用一個(gè)理論上不是很準(zhǔn)確、但比較易懂的圖來幫助理解表面張力的形成，虛線代表液面上的分子分布，實(shí)線代表液面內(nèi)部的分子分布，可見表面上分子之間的距離更大一些，從而在表面上體現(xiàn)出相互之間的吸引力圖源：作者手繪

表面張力使得水滴表面相當(dāng)于存在一層張緊的“薄膜”。對于沙粒間的液橋，液面上這層張緊的“薄膜”會向兩側(cè)連接的沙粒傳遞一個(gè)拉力，以促進(jìn)它們靠攏。

但表面張力屬于比較微弱的力，如果液橋的尺寸太大，表面張力將抵抗不了液體自身的重力，從而液橋就會垮塌，沙粒之間也會失去粘合連接。所以，為了蓋一個(gè)結(jié)實(shí)的沙雕，也不是加水越多越好。

有研究表明，沙子中的水越多，液體橋越大，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)粘合效果。但是，隨著液體橋進(jìn)一步增大，結(jié)合的力反而相應(yīng)減小。在一定含水量范圍內(nèi)，將沙子結(jié)合起來的力和含水量無關(guān)。但是在太空中，由于微重力的環(huán)境，液橋的尺寸可以變得非常大。在我們的天宮課堂中，宇航員王亞平老師給我們進(jìn)行了生動(dòng)的演示。在國際空間站上，也曾經(jīng)搭建過直徑50毫米的液橋。

地球上的液橋最多也就幾毫米，而太空中的液橋則可以非常大圖源：天宮課堂除了幫助沙粒之間粘合，表面張力的作用還能在許多生活場景中看到。一杯水裝滿時(shí)，它的液面可以高過杯口一定距離而不灑出，這是由于表面張力束縛了內(nèi)部液體的運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一層彈性薄膜兜住了水。水黽等昆蟲可以在水面上自由行走，也是因?yàn)楸砻鎻埩κ沟靡好婢哂幸欢ǖ闹С心芰ΑＶ参锬軌蜃园l(fā)地從地底吸收水分和營養(yǎng)，也是依靠表面張力克服液體的自身重力，從而完成從下到上的輸運(yùn)。

表面張力的作用在生活中無處不在圖源：sohu

02能聚能散的太空沙是什么？

現(xiàn)在，你應(yīng)該了解了水為什么可以在沙雕中充當(dāng)粘合劑。但有朋友可能會有新的疑問：有一種太空沙，它不用加水也可以拿來捏成各種形狀，這又是什么原理呢？太空沙實(shí)質(zhì)上是對普通沙子進(jìn)行了特殊處理，即在其上覆蓋了硅酮（俗稱“硅油”）。這是一種由硅和氧構(gòu)成的有機(jī)硅氧化物聚合物，其結(jié)構(gòu)由一系列重復(fù)的單元鏈接成長鏈分子。硅酮在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，從日常消費(fèi)品如化妝品、乳液、洗發(fā)水和護(hù)發(fā)素，到工業(yè)領(lǐng)域的潤滑劑與密封劑，都能見到其身影。

硅酮展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)。它既能作為自由流動(dòng)的液體存在，也可在無外力作用時(shí)呈現(xiàn)緩慢流動(dòng)的半固體狀態(tài)，然而一旦受到壓力則變成類似橡膠一樣的固體形態(tài)。這種隨外加載荷變化而調(diào)整其物理狀態(tài)的特性被稱為黏彈性。黏彈性的程度緊密關(guān)聯(lián)于硅酮中聚合物鏈的長度。

太空沙，一種具有黏彈性的材料，可以在不同的載荷條件下體現(xiàn)出流體的黏性或者固體的彈性圖源：@科林

硅材料在太空沙中，硅酮的聚合物鏈如同粘合劑一般將沙子顆粒緊密相連，使得沙子可以被任意揉捏，就像橡皮泥一樣，塑造為各種形態(tài)。然而，一旦外力撤去，隨著時(shí)間的推移，由于材料黏彈性的影響，太空沙又會慢慢像流體一樣流動(dòng)，使得塑造的形態(tài)逐漸攤平，最終塌掉。無論是普通的沙子加水，還是新奇的太空沙，塑造沙雕的過程都能給我們帶來快樂。你有多久沒玩過沙子了呢？看完這篇，也動(dòng)動(dòng)手堆一個(gè)沙雕吧！

作者：危安然，應(yīng)用工程師，上海交通大學(xué)力學(xué)博士

策劃&編輯：Tiara

封面圖源：攝圖網(wǎng)