湿头发为什么总是粘在一起？（上）

hercules028 2020-01-15

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作者/科学公园魏昕宇

湿头发为什么总是粘在一起？（上）

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。