（來源：科普中國）

轉(zhuǎn)自：科普中國

英國工程師、物理學(xué)家詹姆斯·湯姆森（James Thomson，開爾文勛爵的弟弟）在 1855 年發(fā)表了一篇題為《在葡萄酒和其他酒精飲料表面觀察到的奇怪現(xiàn)象》（On certain curious motions observable at the surfaces of wine and other alcoholic liquors）的論文。他在論文里第一次系統(tǒng)闡述并解釋了葡萄酒為什么會(huì)“流淚”。

湯姆森發(fā)現(xiàn)，如果用水潤濕容器壁，再把足量的酒精滴入容器中央，或是沿容器壁滴入酒精，便會(huì)看到液體沿著濕潤的內(nèi)壁面向上爬升，直到在重力的作用下重新流下。他把這一現(xiàn)象歸因于水與酒精的表面張力差異。也就是說，壁面上含水較多的部分比下方含酒精更多的部分具有更大的表面張力，因此前者會(huì)拉動(dòng)著后者往上爬升。

你喝葡萄酒時(shí)很可能遇見過這種現(xiàn)象：晃動(dòng)一下葡萄酒酒杯，會(huì)看到酒杯的內(nèi)壁上出現(xiàn)了一條條透明的柱狀液體，就像葡萄酒流下了一行行眼淚一樣。這就是所謂的“酒淚”（tears of wine）或者說“掛杯”。

湯姆森也在論文里解釋了“酒淚”這一現(xiàn)象。酒精比水揮發(fā)得更快。因此，晃動(dòng)到液面以上而附著在杯壁上的液膜，會(huì)隨著酒精快速揮發(fā)，而比下方主液體的含水量更高。這樣就會(huì)形成一個(gè)表面張力梯度，使得杯壁上的液膜拉動(dòng)著杯中的酒液向上爬，導(dǎo)致這些液體在杯壁上聚集，再在重力的影響下流回主液體，形成所謂的“酒淚”。

接下來，湯姆森做了更多實(shí)驗(yàn)來展示表面張力差異如何驅(qū)動(dòng)液體自發(fā)流動(dòng)，特別是高表面張力區(qū)域會(huì)拉動(dòng)低表面張力區(qū)域的物理原理。湯姆森的觀察可謂是微流體學(xué)、界面科學(xué)、自組織系統(tǒng)研究的早期雛形。他所描述的環(huán)流、渦旋、對(duì)流模式，與現(xiàn)代研究中的“咖啡環(huán)效應(yīng)”“蒸發(fā)自組裝”“熱毛細(xì)對(duì)流”等現(xiàn)象本質(zhì)相通。

然而，遺憾的是，湯姆森的這項(xiàng)研究在相當(dāng)長一段時(shí)間里一直遭到忽視。盡管它在 1869 年被相關(guān)領(lǐng)域的一篇綜述引用，且僅兩年之后，這篇綜述涉及的研究就得到了意大利物理學(xué)家卡洛·馬蘭戈尼（Carlo Marangoni）的重新分析，但湯姆森的論文卻再次被忽視了。這也許可以解釋為什么液體這種因表面張力梯度而造成的酒淚等現(xiàn)象，普遍被稱作“馬蘭戈尼效應(yīng)”（Marangoni Effect），而與湯姆森的名字無關(guān)。

現(xiàn)在，馬蘭戈尼效應(yīng)仍然是一個(gè)引人入勝的研究領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于微流體、涂層、昆蟲在水面上行走等領(lǐng)域，為理解這些復(fù)雜的現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。它本質(zhì)上涉及物質(zhì)（最常見的是液體）在兩相界面之間的轉(zhuǎn)移，主要是源于表面張力梯度。不過，這種梯度還可能由其他因素引起，比如濃度差異或溫度差異等等。

其中，香港城市大學(xué)教授朱平安一直想要探究一種存在溫度梯度的情況：當(dāng)滾燙液滴撞擊固體表面時(shí)會(huì)發(fā)生什么——想象下熱油滴濺到衣服上后，是粘在衣服上，還是能彈起來離開表面？馬蘭戈尼效應(yīng)又會(huì)在其中發(fā)揮怎樣的作用？

液滴彈跳

液滴彈跳是一種在自然界與工業(yè)過程中廣泛存在的現(xiàn)象，從雨滴在荷葉上輕盈躍起，到烹飪時(shí)水滴在熱鍋中“滋滋”作響并四散飛濺，再到高溫液滴與冷表面的碰撞?！耙旱雾樌麖谋砻鎻椘稹敝猩婕暗年P(guān)鍵原理廣泛應(yīng)用于自清潔表面、防冰涂層、散熱技術(shù)和能量收集等領(lǐng)域。

wikimedia commons/CC BY-SA 3.0

為了實(shí)現(xiàn)液滴的高效彈跳，以往的研究主要集中于表面工程上，比如設(shè)計(jì)具有超疏水性能的微納結(jié)構(gòu)表面。除了表面工程處理，液滴與表面之間若存在一層薄空氣膜，也可能增強(qiáng)彈跳。其中我們最熟悉的例子便是熱鍋里滾動(dòng)的水珠。

我們大多數(shù)人都知道，把水滴到加熱的鍋中時(shí)，假如鍋的溫度僅高于水的沸點(diǎn)，水會(huì)沸騰，一邊發(fā)出嘶嘶聲，一邊很快地汽化掉。可是假如鍋的溫度足夠高，水就會(huì)形成水珠在鍋里面四處滾動(dòng)，并緩慢地汽化。

這就是德國醫(yī)生約翰?G.萊頓弗羅斯特（Johann G. Leidenfrost）于 18 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。為了紀(jì)念他，這一現(xiàn)象后來被稱作萊頓弗斯特效應(yīng)（Leidenfrost effect）。也就是當(dāng)液體接觸一塊遠(yuǎn)超其沸點(diǎn)的物體或表面時(shí)，會(huì)在液體表面形成一層有隔熱作用的蒸氣。這層蒸氣能夠阻隔液滴與基底表面的接觸，也能托住上面的液滴。

當(dāng)熱液滴撞擊冷表面

相較之下，朱平安主要把目光投向了他認(rèn)為“更有活力”的液滴，即那些會(huì)發(fā)生反應(yīng)，會(huì)燃燒，攜帶著許多熱量的活性液滴。在他看來，在液滴彈跳領(lǐng)域中，這樣的液滴長期被隱沒于科研的邊緣，卻在我們的生活里幾乎無處不在。不論是在煙花綻放的夜空，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的烈焰深處，還是在火災(zāi)蔓延的危急時(shí)刻，隨著溫度攀升，朱平安團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)里的主角——高溫或燃燒的液滴就會(huì)立刻登場(chǎng)。

可是，通常而言，這些高溫液滴一旦黏附于冰冷的表面或缸壁上，便如困于泥沼一般。以往對(duì)滾燙液滴撞擊較冷固體表面的研究揭示了一個(gè)令人沮喪的事實(shí)：高溫不會(huì)幫助液滴從較冷的表面彈起，反而會(huì)讓它們趨于在表面鋪展開來。

這會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全，碳煙四起，也會(huì)使機(jī)器效率驟降，甚至?xí)铀倩饎?shì)蔓延。因此，增強(qiáng)燃燒或者高溫液滴的彈跳能力，讓它們迅速從較冷的表面“脫身而去”，就成了解決許多工程與安全問題的關(guān)鍵。

香港城市大學(xué)的物理學(xué)家研究了熱液滴撞擊冷表面時(shí)的行為，發(fā)現(xiàn)熱油滴能從幾乎所有表面上彈起。圖片來源：原論文

于是在這項(xiàng)研究中，朱平安把注意力放在了馬蘭戈尼效應(yīng)中溫度差異引發(fā)物質(zhì)自發(fā)移動(dòng)的可能性，結(jié)果揭示了一種新的液滴彈跳機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)利用這種機(jī)制，可以讓熱油滴自發(fā)地從幾乎任何表面反彈。相關(guān)研究于近期發(fā)表在《牛頓》（Newton）雜志上。

他們使用大豆油、十六烷和硅油等低揮發(fā)性油性液體，測(cè)試了這些油滴在室溫、加熱和燃燒狀態(tài)下，在多種冷固體表面上的彈跳行為，包括光滑的玻璃、帶有劃痕的玻璃，還有疏水的表面。同時(shí)，他們通過高速攝像機(jī)和熱成像儀追蹤這些液滴撞擊表面的過程，并輔以計(jì)算機(jī)模擬來分析液滴的行為。

結(jié)果顯示，室溫下的液滴如預(yù)期般附著在所有表面上，而加熱和燃燒狀態(tài)下的液滴卻彈跳了起來。研究者發(fā)現(xiàn)，隨著熱液滴接近底下溫度較低的表面，液滴底部比頂部冷卻得更快，導(dǎo)致液滴內(nèi)部較熱的液體從邊緣流向底部，即在液滴內(nèi)部引發(fā)了馬蘭戈尼對(duì)流（由溫度梯度引發(fā)的對(duì)流）。這會(huì)使空氣被卷入到液滴底部，形成一層緩沖氣膜，阻止液滴與表面接觸，從而增強(qiáng)液滴的彈跳能力。

液滴的溫度及其梯度是其中的關(guān)鍵因素，而與表面特性無關(guān)，完全不同于疏水表面或萊頓弗羅斯特效應(yīng)致使水滴彈跳的情況，為理解液滴動(dòng)力學(xué)提供了新的視角。

“我們的研究可以幫助保護(hù)紡織品等易燃材料免受高溫液滴的傷害，”朱平安在接受《細(xì)胞》（Cell）出版社的采訪時(shí)說，“將火災(zāi)限制在更小的區(qū)域并減緩其蔓延速度，可以給消防員更多的時(shí)間來撲滅它們?！?/p>

主要是油（滴）的問題，與衣服（表面）無關(guān)。

封圖來源：AI作畫

參考資料

[1]https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100014

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250303141258.htm

[3]https://arstechnica.com/science/2025/03/these-hot-oil-droplets-can-bounce-off-any-surface/

[4]https://www.nature.com/articles/187186a0

[5]https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/14786445508641982