出品：科普中国
制作：魏昕宇
监制：中国科学院计算机网络信息中心
说到弹珠 ， 大家应该都不陌生吧 。 童年的时候 ， 几位要好的小伙伴放学后聚在一起玩耍 ， 拿出各自心爱的弹珠 ， 或者彼此撞击 ， 或者比赛谁的弹珠先滚进洞里 ， 玩得不亦乐乎 。 这样的情形 ， 相信已经成为许多朋友终生难忘的美好回忆 。
今天 ， 笔者要向大家介绍一种特殊的弹珠——“液体弹珠”（liquid marbles） 。 顾名思义 ， 制作这种弹珠的材料不是大理石或者玻璃 ， 而是液体 。
液体弹珠如何制备？
很简单 ， 例如只要把一滴水滴在铺满聚四氟乙烯微粒的盘子上 ， 然后摇动盘子 ， 让水滴滚动几番 ， 水滴表面就会沾满聚四氟乙烯的微粒 。 这时 ， 我们会惊奇地发现 ， 这滴水变得像小石球一样在固体表面滚动自如 ， 毫无阻力 。 此时 ， 我们就得到了一颗液体弹珠 。
三种不同的液体弹珠 ， 表面的固体微粒分别为聚四氟乙烯（A）、石松孢子（B）和炭黑（C） ， 前两种固体为疏水材料 ， 炭黑则略具亲水性 。 （图片来源：Edward Bormashenko, Langmuir, 2017, 33, 663）
这里提到的聚四氟乙烯就是大名鼎鼎的不粘锅涂层特氟龙 。 聚四氟乙烯的一大特点就是不容易让水沾在其表面 ， 但是在制备液体弹珠时 ， 怎么遇到水滴 ， 它们又主动“贴上去”了呢？
要理解这些看似矛盾的现象 ， 我们必须弄清问题的本质 。
液体弹珠的形成和表面能有关
同样的一滴水 ， 为什么在有些物质表面会很容易铺展开？例如洁净的玻璃上 ， 而在聚四氟乙烯这样的表面上又会倾向于保持原先的液滴形状呢？
这归根结底是能量这只看不见的“手”在起作用 。
在固体内部 ， 组成它的分子或者原子总是被“自己人”环绕 ， 但在固体表面 ， 这些原子或者分子必须面对“异端”——空气分子 。 这就造成了一个额外的能量 ， 我们称之为表面能 。 它可以被理解为创造一个新的表面所需要的能量 。 就像高处的物体会自由下落以减少重力势能 ， 一个体系也总是试图让自身的表面能降至最低 。
如果在固体表面铺上一层水 ， 那么固体表面虽然不再和空气接触 ， 但会和水接触 ， 而水分子则与空气分子保持接触 。 因此 ， 原先固体-气体界面的表面能被固体-液体界面和液体-气体界面的表面能所取代 。
对于玻璃、金属等固体来说 ， 与空气接触实在是“太痛苦了” ， 在表面铺满水后 ， 虽然看起来表面能由一份变成两份 ， 但总的能量反而下降了 ， 整个体系变得更加稳定 ， 因此它们非常“欢迎”水在其表面“安营扎寨” 。 用术语来讲 ， 就是能够被水浸润 。 这样的固体 ， 我们称之为亲水材料 。
相反 ， 对于聚四氟乙烯等固体来说 ， 和水相接触并不比和空气相接触强太多 ， 何况又平添水和空气界面的表面能 ， 总的能量不降反升 ， 自然没必要如此“折腾” 。 因此当我们把一滴水放在聚四氟乙烯表面上时 ， 虽然重力仍然会促使液滴流动铺展 ， 但当液滴足够小时 ， 重力的“话语权”变得可以忽略不计 ， 此时液滴仍然会尽可能地保持原有的球形 。 像这样的固体 ， 我们称之为疏水材料 。
但当我们站在液滴的角度考虑时 ， 就会发现问题又不一样了 。
聚四氟乙烯表面上的水滴并不是完全保持球形 ， 而是会发生一定的变形 ， 从而与固体表面相接触 。 这意味着对于水来说 ， 哪怕是与疏水的表面相接触 ， 仍然好过与空气接触 。 因此 ， 水滴其实“欢迎”聚四氟乙烯的微粒停留在自身表面 。
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