湿头发(为什么湿头发总是粘在一起？)

作者|科学园主编魏新雨

洗完头发，我们总会发现湿发成股聚集，分不开。不知道大家有没有认真思考过这种现象背后的原因？其实湿发粘在一起的原理在自然界是很常见的，蕨类植物和蜂鸟都离不开它。基于同样的原理，科学家们还改进了光刻技术，甚至制造了新的纳米结构。

毛细血管加弹性

为什么湿头发总是粘在一起？要知道答案，我们先来了解另一个常见的现象:当一根很细的玻璃管(也叫毛细管)插入技术资源网的一杯水中时，会发现管内的水位比外杯中的水位高很多。是的，这是毛细现象。

中学物理课上，我们了解到毛细现象来源于水和玻璃管的渗透与重力之间的博弈(参见《科学世界》2017年第11期“毛细现象”一文)。因为水可以润湿玻璃，或者水和玻璃界面的表面能小于玻璃和空气体界面的表面能，所以表面张力可以提供一个向上的力。这个力的大小与水柱的高度无关，而是与毛细管的半径成正比。毛细管中水柱的重力是由体积决定的，体积显然应该与其截面积成正比，也就是毛细管半径的平方。当毛细半径减小时，渗透引起的升力和重力都会减小，但后者减小得更快。因此，当毛细管足够细时，渗透的力很容易压倒重力，管内的液位上升得很高(下图)。

如果液体会弄湿管壁，管径越小，管内液位越高。但是，管道中的液位不会溢出管道的高度。否则就会形成永动机。

通过对技术资源网络的简单推断，可以得出结论:对于给定的液体和固体，毛细管中液面的上升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，管内液位的上升只有7微米，肉眼很难检测到。但如果把管的半径缩小到0.2 mm，管内的液位可以比管外高7 cm！也就是说，地方越小，毛细现象越明显，这一点非常重要。

然而，仅靠毛细现象不足以解决头发的困扰。我们还需要考虑弹性因素。

众所周知，玻璃是刚性很强的固体。在外力作用下，即使断裂也很难变形。然而，像橡胶这样的固体是一种不同的表面，当它们遇到一点外力时，它们很容易产生显著的形状变化。这通常被称为弹性。

如果我们把用来检查毛细现象的玻璃管换成橡胶管，假设水还能渗入管壁，接下来会发生什么？首先，管内液体在渗透的赞助下克服重力，使液面高于管外。然而，水分子并不满足，他们希望与橡胶更紧密地接触。根据前面的分析，只要管道半径减小，液位就能进一步上升。所以，水分子和橡胶管交涉:你不是有弹性吗？请“收腰”，把管子做细一点，这样我可以和你有更多的接触。橡皮觉得有道理，所以我就做了。结果，橡胶管壁向内凹陷，管内液位进一步升高(下图)。这种现象将毛细现象(也可以用表面张力或表面能的概念等价交换)与弹性因素结合起来，所以称为弹性毛细作用。

弹性毛细管现象:随着时间的推移，可以观察到弹性毛细管内的液位缓慢上升，同时管的半径减小。

看完这个，聪明的读者可能已经意识到湿发粘在一起是弹性毛细作用的体现。头发也有一定的弹性。因此，当水渗入几根相邻的头发时，会通过变形使这些头发相互靠近。这种变形的程度是如此之大，以至于最后，头发被一层非常薄的水膜分开，看起来就像它们聚集在一起(下图)。

演示湿头发聚集成束的模型。下半部分是液面，上刷上的梳毛相互粘在一起。

当然，弹性毛细作用并不总是带来如此惊人的后果。众所周知，无论是哪种材料，变形总是需要一定的努力。一旦外力消失，像橡胶这样的材料会很快恢复到原来的形状。这解释了物体变形对应于更高的能量。在弹性材料制成的毛细管中，液面的上升不仅要克服重力势能的增长，还要应对变形引起的能量增长。如果固体变形量太大，能量需求太高，渗透就无能为力，液面上升就此停止。比如湿发的收集只是一缕，不可能所有的头发都变形聚集在一起。

自然界中的弹性毛细作用

也许你不觉得湿发聚集在一起太碍事，但在自然界中，弹性毛细作用有时会给生物带来很大的麻烦。

想象一根细长的杆子直立在地上，然后完全淹没在水中。使水面慢慢下降，直到低于竿顶。会发生什么？乍一看，答案很简单。当水位下降到足够低的时候，杆子的顶端就会露出水面。

但如果杆子足够细长，足够有弹性，能被水浸湿，情况就完全不一样了。水面下降时，露出水面的电杆顶端想与空气体接触，但焦虑的水分子不愿意将电杆分开。这一次，他们的解决办法是迫使杆子顶端弯曲，但仍然被淹没。这也是弹性毛细作用的体现。面对这个成就，水分子很开心。

但是那些生长在潮湿环境中的真菌，比如裂褶菌，就受到了这种困扰。为了完成传宗接代的重任，他们需要让自己纤细的菌丝从水中生长出来，并通过水面与空气体接触，从而将孢子传播开来。但当菌丝长到足以穿透水面时，弹性毛细作用会迫使其弯曲，阻止其与空气体接触。如果任其发展，恐怕裂褶菌会没有孩子。好在它们有自己的对策，那就是分泌特殊的蛋白质来降低水的表面张力，从而削弱弹性毛细作用，让菌丝顺利通过水面。如果这些蛋白的表达受到基因工程手腕的干扰，裂褶菌菌丝很难从水下生长。而当我们参与水中这些特殊的蛋白质时，一切又恢复正常。

它也在释放孢子，但蕨类植物可以奇妙地利用弹性毛细作用作为动力。蕨类植物用来制造和储存孢子的器官叫做孢子囊，它的外层散布着一圈特殊的细胞，这些细胞的细胞壁特化并增厚。在潮湿的季节，透明带细胞内部充满了水。当天气变得干燥时，细胞中的水分就会蒸发。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。当多个单元的单元壁同时变形时，总力矩的后果相当大。腰带像弹簧一样，打开封闭的孢子囊，释放孢子(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透明带细胞最初充满了水(1)；随着水分的蒸发，弹性毛细作用会使细胞壁向内弯曲，由此产生的力矩可以打开孢子囊，释放孢子(2)；3对于显微镜下开放的孢子囊和孢子，注意靶区。

在动物界，也有许多应用弹性毛细作用的精彩例子。例如，以小而美著称的蜂鸟，以花蜜为重要的食物来源。蜂鸟的舌头细长，两端分叉形成两个C形凹槽。他们舌头上的凹槽就像毛细血管。当它们沉浸在花蜜中时，花蜜会通过毛细作用流入它们的舌头，供蜂鸟享用。2010年，研究人员还发现，当蜂鸟的舌头被从花蜜中拉出时，舌头末端的凹槽会由于弹性毛细作用而关闭，花蜜会被完全堵塞在其中(下图)，这使得蜂鸟能够更高效地进食花蜜。

蜂鸟取食花蜜的过程(1 ~ 3)，蜂鸟的舌尖由两个槽形结构组成。当舌头从花蜜中取出时，弹性毛细作用关闭了原本被拉伸的凹槽，同时左两个凹槽相互靠近。右边是这个过程的示意图。图中的刻度是0.5毫米..

因为生物离不开水，所以构成生物的材料大部分都是弹性材料。可以说，弹性毛细作用在生物界无处不在。

站直，不要趴下。

正如生物有时需要避免弹性毛细作用，有时又需要应用一样，人类对弹性毛细作用的感受可以说是一言难尽。

光刻是中美贸易争端中的主要话题，是在半导体加工和其他生产过程中用于制造特定微结构的主要技术。在光刻技术中，我们首先在半导体等固体材料的表面涂上一层称为光刻胶的特殊材料。光致抗蚀剂的一个特点是，当曝光时，溶解度会发生明显变化，从可溶于某种溶剂变为不可溶，反之亦然。因此，如果我们只曝光光刻胶表面的某些区域，然后用显影液冲洗显影，就会得到一系列的凹凸微结构。然后，将得到的光刻胶用清水清洗并干燥，以其为模板，通过特殊的刻蚀手腕将光刻胶中的图案转化为半导体材料上的微结构，最终产品为芯片。然而，已经发现光致抗蚀剂中的微结构有时会变形。例如，必须处理一系列平行的薄壁，但事实上许多相邻的薄壁折叠在一起，因此它们不能用作模板(下面的图2和3)。毕竟有什么问题？由科学家发明，这是因为在加工过程中需要水来清洁这些结构，这正好给了弹性毛细管一个机会。

如果用纯水(2，3)清洗，曝光显影后的光刻胶微结构会变形，但如果将水和叔丁醇的混合物改为1 ∶ 1 (1)，则可以避免变形。

在清洗过程中，薄壁之间的孔隙首先被水完全充满。然而，随着水的蒸发，薄壁顶部的表面开始与空气体接触。现在剩下的水分子都急了:兄弟们，为了坚持与薄壁的接触面积，液面绝对不能下降！但是你怎么能满足这个要求呢？当然是借助弹性毛细作用。一方面，这些薄壁的宽度只有几微米甚至更小。在这样的标准下，即使是刚性材料也容易变形。另一方面，薄壁之间的距离也在微米级，在这个标准下，毛细作用会相当明显。因此，为了满足水和薄壁表面“紧密接触”的愿望，薄壁表面会扭曲堆积在一起，就像一缕头发一样。当水完全蒸发时，虽然弹性毛细作用不再存在，但在接触的微结构之间往往已经建立起强大的分子间作用力，或者发生了不可逆的变形，无法再恢复到原来的形状。

如果我们找到原因，我们可以开出正确的药。由于用液体清洗微结构时的毛细作用是变形的主要原因，我们可以从裂褶菌中学习如何削弱它。科学家发现，用纯水清洗时会塌陷的光刻胶，被体积比为1: 1的水和叔丁醇的混合物代替，清洗时会安全完好(上图1)。这正是因为后者和光刻胶的表面能相对较高(表面张力较低)，毛细作用没有那么强。同样，如果调整固体材料，这些薄壁的弹性和刚性也会减弱，不容易出现变形现象。

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们迫切希望避免的。但如果我们逆向思考，就会发现弹性毛细作用实际上是一种具有相当应用价值的现象。如何更好地利用弹性毛细作用为我们服务，正是目前科学家们正在努力的方向。

第一个站出来尽力保留弹性毛细效应的人仍然是研究光刻机的科学家。读者可能会好奇，弹性毛细作用显然是光刻机中的“害群之马”。为什么这些人会掉头？

在常规光刻中，无论光刻胶的初始曝光和显影，还是半导体表面的后续刻蚀，加工方向都垂直于固体表面。因此，最终的微结构通常类似于简单的结构，如垂直于表面的线条、圆柱体和薄壁。如果我们想得到更复杂的结构，比如组装在一起的圆柱体，光刻就无能为力了。这时，弹性毛细作用正好可以派上用场。我们所要做的就是将这些光刻加工的微结构浸入特定的液体中，然后让液体蒸发或流走。弹性毛细作用可以迫使这些微结构变形，得到丰富多样的结构。例如，它也是许多最初垂直于实体表面的圆柱体。由于高度和距离不同，变形后，它们可以短暂组装，相互搅拌，甚至躺在固体表面(下图)。

弹性毛细作用可以使光刻得到的圆柱结构聚集，从而形成各种复杂的微结构。在电子显微镜下，我们可以看到参与组装的圆柱体数量各不相同，分为3 (1 ~ 2)、4 (3 ~ 4)、6 (5)、9 (6)和25 (7 ~ 8)。图中的刻度是10微米。

利用弹性毛细作用制作这些复杂的微结构，并不是为了抓人眼球的视觉后果，更重要的是，它们具有许多潜在的应用价值。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只有一两微米、高度不超过10微米的圆柱体，然后通过弹性毛细作用使原本垂直的圆柱体相互聚集。他们发现，由于光的强烈散射，变形的圆柱体呈现出柔和的白色(如下图)。目前我们使用的白漆通常是附着在二氧化钛等矿物质上，需要涂上相当厚的涂层。这项研究可以提供更多的经济和环境保护。相反，变形前的圆柱体会因为会干扰特定波长的可见光而呈现亮色。这个例子很好地告诉我们，不同微观结构的性质可能有很大的不同。

垂直排列的微米级标准聚合物圆柱体，由于特定可见光的干涉，可以使表面呈现特定的颜色(左)。圆柱体因弹性毛细作用塌陷后，由于所有波长的可见光散射，表面呈现白色(右)。

另一个通过弹性毛细作用抓住微观结构的例子来自碳纳米管。由于其良好的导电性，碳纳米管有望在未来的电子产品中展现其才华。目前常用化学气相沉积法制作碳技术资源网络纳米管，使单个碳纳米管可以从固体表面“生长”。类似于光刻的后果，这种方式得到的碳纳米管也是垂直于固体表面的，覆盖密度不高，所以导电性不尽如人意。但是，如果应用弹性毛细作用将生长的碳纳米管“放下”在固体表面，提高碳纳米管的密度，电导率自然会得到提升。

奇怪的折纸游戏

之前，我们一起体验过DNA折纸的魅力。其实弹性毛细现象也可以做类似的事情。

如果我们将液体滴到预切薄膜的中心，我们会惊讶地发现，原来的薄膜可能会扭曲甚至折叠以包裹住液滴。这是毛细折纸(下图)。

通过毛细折纸，把平面图变成立体图。

弹性毛细作用如何叠纸？在前面的介绍中，我们提到了润湿性，这意味着液体可以在固体表面扩散，而不是最初与固体接触的空气体。另一方面，如果固体有足够的弹性，那么双方完全可以选择另一种方式，即液体停留在球形，固体变形包裹住液滴，这样也减少了固体与空气体界面的接触面积。换句话说，毛细折纸也是弹性毛细作用的体现。

如果我们买纸箱，会发现商家不直接卖现成的纸箱，而是把切好的纸板堆在一起，让我们买了之后再折叠。这样，即使一次买几十个纸箱，也不用担心占用太多收纳空的空间。这个简单的例子蕴含着深刻的道理，那就是2D物体的存储和运输要比3D物体容易得多，同时，我们可以通过简单的折叠，轻松地将2D物体转换成3D物体。因此，科学家们希望在新材料和新技术的开发中借鉴古代折纸艺术。但他们并不满足于操作者的手动折叠，而是提出了“自折叠纸”的概念，即当遇到某种外部刺激时，期望的平面结构可以自发地改变立体结构。

毫无疑问，折纸可以给我们带来很大的便利。在一些不方便直接传送3D物体的地方，比如交通拥挤的偏远地区，[/k0/]站离地球很远，甚至在人体内部，传送2D物体的难度可能相对较小。因此，我们可以先发送它们，然后通过将折纸转换成三维物体来完成义务。此外，由于二维物体的加工往往比三维物体简单，也许在未来的生产线上，我们可以先加工特定的平面结构，然后主动将它们“变形”成更复杂的三维结构，从而节省生产成本。毛细管折纸作为折纸的可能实现方式之一，无疑具有巨大的发展潜力。

2010年，研究人员在太阳能电池的开发中使用了毛细折纸。传统硅基太阳能电池可以实现较高的能量转换效率，但缺点是体积相对较大，生产成本较高。如果用硅薄膜代替体硅，太阳能电池的重量和成本将显著降低。然而，随着硅的厚度减小，光在其中传播的距离也减小，因此太阳能电池的能量转换效率也降低。研究人员发现，应用毛细折纸将硅膜卷成三维结构，可以使光线在通过时经历更多的反射，从而增加被硅接收的概率。此外，与薄膜相比，三维结构可以更好地接收来自各个方向的阳光，这导致太阳能电池的有效性显著提高。你看，弹性毛细现象做出了另一个贡献。

不管怎样，虽然弹性毛细作用听起来很陌生，但你一定发现了这是一个相当重要的现象。信任会随着我们对弹性毛细作用的深入理解，给我们的生活带来更多瑰丽的色彩。

(结束)