头发湿的（湿头发为什么总是粘在一起？）

作者 | 科学公园主编魏昕宇

我们在洗头之后，总会发现湿头发一缕一缕聚在一起，怎么也分不开。不知你有没有认真思考过这种现象背后的成因？其实，让湿头发粘在一起的原理在自然界中广泛存在，蕨类植物和蜂鸟都离不开它。基于同一种原理，科学家们还改进了光刻技术，甚至制造出了新的纳米结构。

毛细加上弹性

为什么湿头发总会粘在一起？要想知道答案，我们先得来了解另外一种常见的现象：当把一根非常细的玻璃管（也称毛细管）插入一杯水中时，会发现管中水的液面要比管外杯中高出不少。没错，这就是毛细现象。

在中学物理课上，我们学到了毛细现象来自于水与玻璃管的浸润作用与重力的博弈（见《科学世界》2017 年第11 期“毛细现象”一文）。由于水能浸润玻璃，或者说水与玻璃界面的表面能小于玻璃与空气界面的表面能，因此，表面张力能够提供一个向上的力。这个力的大小与水柱高度无关，与毛细管的半径成正比。而毛细管内水柱所受的重力是由体积决定的，它显然应该与其截面积，也就是毛细管半径的平方成正比。当毛细管的半径减小时，浸润作用带来的升力和重力都会降低，但后者降低得更快。于是，当毛细管足够细时，浸润作用的力量可以轻松压倒重力，让管内液面升得很高（下图）。

如果一种液体能够浸润管壁，那么管径越小，管内的液面就越高。不过，管内液面并不会超过管的高度而溢出。否则的话那将形成永动机。

通过简单推论即可得出：对于给定的液体和固体，毛细管内液面上升的高度与管的半径成反比。仍然以水和玻璃为例，计算表明，如果玻璃管的半径为2 米，管内液面的上升只有肉眼难以察觉的7微米。但如果把管的半径减小到0.2毫米，管内液面可以比管外高出7 厘米！也就是说，在越小的地方，毛细现象越是显著，这一点非常重要。

不过，仅用毛细现象还不足以解决头发的谜题，我们还需要加入弹性的因素。

我们都知道，玻璃是具有很强刚性的固体，在外力作用下，即使碎裂也难以变形。然而像橡胶这样的固体则是另外一番面貌，它们遇到一点点外力就很容易发生明显的形状变化。这就是通常所说的弹性。

如果我们把观察毛细现象的玻璃管换成橡胶管，并且假定水仍然能够浸润管壁，接下来会发生什么呢？首先，管内的液体在浸润作用的帮助下克服重力，使得液面比管外高出一截。但水分子还不满意，希望能够与橡胶进一步亲密接触。根据之前的分析，只要管子的半径减小，液面就可以进一步升高。于是，水分子就和橡胶管商量：你不是有弹性吗？麻烦你“收收腰”，让管子再变细一些，这样我不就可以和你更加充分地接触了嘛。橡胶觉得有道理，就照办了。于是，橡胶管的管壁向内凹陷，而管内的液面则进一步升高（下图）。这种现象结合了毛细现象（也可用表面张力或表面能的概念等效替换）与弹性因素，因此被称为弹性毛细作用。

弹性毛细现象：随着时间的推移，可以观察到弹性毛细管内液面慢慢上升，同时，管的半径减小。

读到这里，聪明的读者可能已经领悟到，湿头发粘在一起正是弹性毛细作用的体现。头发也具有一定的弹性，因此，当水浸润相邻的若干根头发时，它会促使这些头发通过变形而彼此靠近。这种变形的幅度是如此之大，以至于最终头发之间只被非常薄的一层水膜隔开，看起来就像是聚在了一起（下图）。

演示湿头发聚集成缕的模型。下方为液面，上方刷子上的梳毛相互粘到了一起。

当然，弹性毛细作用并不总是会带来如此惊人的效果。我们都知道，不管什么样的材料，使之变形总是要费一番力气，像橡胶这样的材料，一旦外力消失，它们就会迅速回到原来的形状。这说明让物体变形对应着更高的能量。在弹性材料构成的毛细管中，液面的上升不但需要克服重力势能的增加，还必须应对变形造成的能量增加。如果需要固体变形的幅度太大，能量需求太高，浸润作用就会有心无力，液面的升高也就到此为止了。好比说，湿头发再聚集也不过是一缕一缕的，不可能全部头发都变形汇聚到一起。

自然界中的弹性毛细作用

也许你不觉得聚拢在一起的湿头发过于碍事，但在自然界中，弹性毛细作用有时会给生物带来大麻烦。

设想有一根细长的杆子直立在地面上，然后完全没入水中。令水面缓缓下降，直至低过杆子的顶端，那会发生什么呢？乍看起来答案很简单，当水面降得足够低时，杆子的顶端就会从水中露出来。

但如果杆子足够细长，具有充足的弹性，且能够被水浸润，情况就截然不同了。当水面下降，从水中露出的杆子顶端想要与空气接触时，焦急不安的水分子们却又舍不得杆子离开。这一次，它们的解决之道是迫使杆子的顶端弯折过来，仍然被水浸没。这同样是弹性毛细作用的体现。面对这样的结果，水分子们很开心。

但那些生长在潮湿环境中的真菌，例如裂褶菌，却为此苦恼不已。为了完成传宗接代的重任，它们需要让自己细长的菌丝从水下生长出来，穿过水面与空气接触，这样才可以将孢子传播开来。但当菌丝生长得足够长，可以穿透水面时，弹性毛细作用却会迫使它们弯曲，阻止它们与空气接触。如果对此听之任之，恐怕裂褶菌早就断子绝孙了。好在它们自有对策，那就是分泌特殊的蛋白质，降低水的表面张力，以此削弱弹性毛细作用，从而让菌丝顺利地穿过水面。如果利用基因工程手段干扰这些蛋白质的表达，裂褶菌的菌丝就很难从水下长出来。而当向水中再加入这些特殊的蛋白质时，一切又恢复正常了。

同样是释放孢子，蕨类植物却能巧妙地将弹性毛细作用当作动力。蕨类植物用于制造和储存孢子的器官被称为孢子囊，其外层分布着一段由特殊细胞所构成的环带，这些细胞的细胞壁特化增厚。在潮湿的季节里，环带细胞的内部充满水分。当天气变得干燥时，细胞中的水分挥发。为了保持水与细胞壁的接触，弹性毛细作用会迫使细胞壁向内弯曲。当多个细胞的细胞壁同时发生变形时，总的力矩的效果相当可观。环带就像收紧的弹簧一样，将原本闭合的孢子囊打开，释放出孢子（下图）。

蕨类植物利用弹性毛细作用释放孢子的原理：蕨类植物孢子囊外的环带细胞中原本充满了水(1)；随着水分挥发，弹性毛细作用会使得细胞壁向内弯曲，由此产生的力矩能够打开孢子囊，将孢子释放出来(2)；3为显微镜下打开的孢子囊与孢子，注意其中醒目的环带。

在动物王国中，也有不少巧妙利用弹性毛细作用的例子。例如以纤小美丽闻名的鸟类——蜂鸟，它们以花蜜为主要的食物来源。蜂鸟的舌头细长，末端分叉并形成两个C 形的凹槽。它们舌头上的凹槽就像毛细管，当其浸入花蜜时，花蜜便会通过毛细作用流进舌头供蜂鸟享用。在2010 年，研究人员还发现，当蜂鸟的舌头从花蜜中拔出来时，由于弹性毛细作用，舌头末端的凹槽会闭合起来，将花蜜完全封闭在其中（下图），这使得蜂鸟能够更高效地取食花蜜。

蜂鸟取食花蜜的过程（1 ～ 3），蜂鸟舌头末端由两个凹槽状的结构组成。当舌头从花蜜中取出时，弹性毛细作用让原本舒展的凹槽闭合，同时分开的两个凹槽相互靠近。右侧为这一过程的示意图。图中标尺为0.5 毫米。

由于生物离不开水，构成生物的材料又大多都是弹性材料，可以说，弹性毛细作用在生物界中无处不在。

站直喽，别趴下

就像生物有时候需要避免弹性毛细作用，有时候却要利用它一样，人类对弹性毛细作用的感情也可以说是一言难尽。

光刻技术是中美贸易争端中的重要话题，它是半导体加工等生产过程中用来制造特定微观结构的重要手段。在光刻中，我们首先会在半导体等固体材料表面涂上一薄层被称为光刻胶的特殊材料。光刻胶有个特点，那就是在遇到光照时，溶解性会发生显著变化，从溶于某种溶剂变为不溶，或者反之。因此，如果我们只对光刻胶表面的某些区域进行曝光，然后用显影液冲洗显影，就会得到一系列凹凸有致的微观结构。随后，将得到的光刻胶用清水冲洗并干燥，以其作为模板，通过特定的刻蚀手段将光刻胶中的图形转化为半导体材料上的微观结构，最终的产品就是芯片。但是，人们发现光刻胶中的微观结构有时会变形。例如，本来需要加工出一系列平行的薄壁，然而事实上很多相邻的薄壁都坍塌到了一起，这样也就无法作为模板使用了（下图2、3)。问题究竟出在哪里呢？科学家发现，这是由于在加工过程中需要用水去清洗这些结构，而这正好给了弹性毛细作用可乘之机。

光刻胶经过曝光显影后产生的微观结构，如果用纯水清洗会发生变形(2、3)，但若改用水与叔丁醇1 ∶ 1 的混合物清洗则可以避免变形(1)。

在清洗过程中，水最初完全充满了薄壁之间的孔隙。但随着水分蒸发，薄壁顶端的表面开始与空气接触。这下子残存的水分子着急了：兄弟们，为了保持和薄壁的接触面积，液面高度可绝对不能降啊！可是怎样才能满足这一要求呢？当然是求助于弹性毛细作用喽。一方面，这些薄壁的宽度只有几个微米甚至更小，在这样的尺度下，即便原本刚性十足的材料也容易变形；另一方面，薄壁之间的距离也在微米范围，在这样的尺度下，毛细作用会表现得相当显著。于是，为了满足水和薄壁表面“亲密接触”的愿望，薄壁会弯曲并堆到一起，就像是成缕的头发一样。当水分挥发殆尽之后，虽然弹性毛细作用不复存在，但已经相互接触的微观结构之间往往已经建立起较强的分子间作用力，或者发生了不可逆的形变，再也无法恢复为原来的形状了。

找到了原因，我们就可以对症下药。既然用液体清洗微观结构时产生的毛细作用是造成变形的罪魁祸首，那就可以向裂褶菌学习怎么削弱它。科学家发现，用纯水清洗时会坍塌的光刻胶，换成体积比1 ∶ 1 的水与叔丁醇的混合物去清洗时则平安无恙（上图1）。这正是由于后者与光刻胶的表面能相对较高（表面张力较低），造成的毛细作用没有那么强烈。同样，如果调整固体的材质，让这些薄壁的弹性减弱，刚性增强，变形现象也不容易发生。

神奇的“微雕大师”

在光刻胶的制备中，弹性毛细作用是科学家竭力希望避免的。但如果我们逆向思考，就会发现弹性毛细作用实际上是相当有利用价值的一种现象。如何更好地利用弹性毛细作用为我们服务，目前正是科学家孜孜以求的目标。

首先站出来竭力挽留弹性毛细作用的仍然是研究光刻的科学家。读者可能会奇怪，弹性毛细作用明明是光刻中的“害群之马”，这些人的态度为什么来了个180 度字母娱乐网网大转弯呢？

在常规的光刻中，无论是最初光刻胶的曝光、显影，还是随后对半导体表面的刻蚀，加工方向都与固体表面相垂直，因此，最终得到的微观结构通常也是比较简单的线条、圆柱、薄壁等垂直于表面的结构。如果我们希望得到更加复杂的结构，比如聚拢在一起的圆柱，光刻就无能为力了。这个时候，弹性毛细作用刚好可以派上用场。我们只需要将这些通过光刻加工出的微观结构浸入特定的液体中，然后让液体挥发或者流走，弹性毛细作用就能迫使这些微观结构变形，得到丰富多样的结构。例如，同样是若干原本垂直于固体表面的圆柱，由于高度和间距不同，变形之后既可以简单聚集，也可以互相搅在一起，甚至还可能躺倒在固体表面（下图）。

弹性毛细作用可以使得光刻得到的圆柱结构发生聚集，从而形成各种复杂的微观结构。电子显微镜下可以看到参与聚集的圆柱数目不等，分别为3 根（1 ～ 2）、4 根（3 ～ 4）、6 根（5）、9 根（6）和25 根（7 ～ 8）。图中标尺为10 微米。

用弹性毛细作用制造这些复杂的微观结构，并非为了抓人眼球的视觉效果，更重要的是它们有很多潜在的应用价值。例如，在2009 年的一项研究中，科学家首先在高分子材料表面加工出一系列直径和间距都只有一两个微米，高度不超过10 微米的圆柱，再通过弹性毛细作用令原本垂直的圆柱相互聚拢。他们发现，变形后的圆柱由于对光线强烈的散射作用，因此呈现出柔和的白色（下图）。目前，我们所使用的白色涂料通常依赖于二氧化钛等矿物，而且需要涂上相当厚的涂层。这项研究或许可以提供更加经济环保的产生白色的手段。相反，变形前的圆柱由于会让特定波长的可见光发生干涉，因此呈现出鲜艳的色彩。这个例子很好地告诉我们，不同的微观结构，其性质可以有天壤之别。

垂直排列的微米尺度的高分子圆柱，由于对特定可见光的干涉作用，能够让表面呈现特定的颜色（左）。圆柱由于弹性毛细作用而倒塌聚集后，由于对所有波长的可见光的散射，表面呈现出白色（右）。

另一个利用弹性毛细作用来控制微观结构的例子来自于碳纳米管。碳纳米管由于良好的导电性，被认为有望在未来的电子产品中大显身手。目前制造碳纳米管经常采用化学气相沉积手段，让一根根的碳纳米管从固体表面“生长”出来。与光刻的效果类似，这样得到的碳纳米管也是垂直于固体表面的，覆盖密度不高，因此导电能力不尽人意。但如果利用弹性毛细作用将生长出来的碳纳米管“放倒”在固体表面，提高了碳纳米管的密度，导电能力也就自然会随之提升。

独特的折纸游戏

此前，我们曾经一同领略过用DNA 来折纸的魅力。其实，弹性毛细现象也能够做到类似的事情。

如果我们将液体滴到事先裁剪好的薄膜中央，便会惊奇地发现，原本水平的薄膜可能会弯曲甚至折叠起来将液滴包裹。这就是毛细折纸（下图）。

通过毛细折纸，将平面图形变成立体图形字母娱乐网网。

弹性毛细作用是如何折纸的呢？在前面的介绍中，我们提到了浸润性，它指液体能够在固体表面铺展，取代原先与固体接触的空气。但反过来想，如果固体有足够的弹性，那么双方完全可以选择另外一条途径，那就是液体保持球形不动，固体发生形变将液滴包裹，从而同样减少了固体与空气界面的接触面积。也就是说，毛细折纸也是弹性毛细作用的体现。

如果我们去买纸箱的话，会发现商家并不直接出售现成的纸箱，而是把裁剪好的纸板摞在一起，供我们买回家后自行折叠。这样，哪怕我们一口气买上几十个纸箱，也不必担心占用太多的储存空间。这个简单的例子却蕴含着深刻的道理，那就是二维物体的储存和运输要比三维物体容易得多，同时通过简单的折叠，我们又可以很方便地把二维物体转化为三维物体。因此，科学家们希望在新材料和新技术的开发中借鉴折纸这门古老的艺术。不过，他们并不满足于操作者手动折叠，而是提出了“自折纸”的概念，即希望平面结构在遇到某些外部刺激时，能够自发地转变成立体结构。

毫无疑问，自折纸能够为我们带来极大的便利。在一些不方便直接投放三维物体的场合，例如交通困难的边远地区、远离地球的空间站中，甚至是人体的内部，输送二维物体可能相对没有那么困难。因此，我们可以先把它们派过去，然后通过自折纸转化为三维物体来完成任务。另外，由于二维物体的加工往往也比三维物体简便，或许在未来的生产线上，我们可以先加工出特定的平板结构，然后再让它们自动“变形”成更复杂的立体结构，从而节约生产成本。作为自折纸可能的实现途径之一，毛细折纸无疑具有极大的发展潜力。

2010 年，研究人员就曾经将毛细折纸应用于太阳能电池字母娱乐网网的开发。传统的基于硅的太阳能电池能够达到较高的能源转换效率，但缺点是比较笨重，生产成本也高。如果将大块的硅改用硅的薄膜替代，太阳能电池的重量和成本都将显著下降。不过，由于硅的厚度下降，光在其中的传播距离也变小了，因此，太阳能电池的能源转换效率也随之下降。研究人员发现，利用毛细折纸将硅薄膜卷成立体结构，光在其中传播时便会经历更多的反射，如此就可增加其被硅吸收的几率。另外，相对于薄膜，立体结构能够更好地吸收从各个方向照射过来的阳光，这都导致太阳能电池的效率有了显著的提升。你看，弹性毛细现象又立了一功呢。

怎么样，弹性毛细作用虽然听起来陌生，但你一定发现了它是相当重要的一种现象。相信随着我们对于弹性毛细作用的认识的不断深入，它还会为我们的生活带来更多绚丽的色彩。

（完）