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靈菲配資一穿白衣服就會濺到油，這可能是油的問題，不是你的問題

英國工程師、物理學家詹姆斯·湯姆森(James Thomson靈菲配資，開爾文勛爵的弟弟)在 1855 年發表了一篇題為《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闡述并解釋了葡萄酒為什么會“流淚”。

湯姆森發現，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，便會看到液體沿著濕潤的內壁面向上爬升，直到在重力的作用下重新流下。他把這一現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，因此前者會拉動著后者往上爬升。

你喝葡萄酒時很可能遇見過這種現象：晃動一下葡萄酒酒杯，會看到酒杯的內壁上出現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”。

酒淚(圖片來源：wikimedia commons/CC BY-SA 3.0

湯姆森也在論文里解釋了“酒淚”這一現象。酒精比水揮發得更快。因此，晃動到液面以上而附著在杯壁上的液膜，會隨著酒精快速揮發，而比下方主液體的含水量更高。這樣就會形成一個表面張力梯度，使得杯壁上的液膜拉動著杯中的酒液向上爬，導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，湯姆森做了更多實驗來展示表面張力差異如何驅動液體自發流動，特別是高表面張力區域會拉動低表面張力區域的物理原理。湯姆森的觀察可謂是微流體學、界面科學、自組織系統研究的早期雛形。他所描述的環流、渦旋、對流模式，與現代研究中的“咖啡環效應”“蒸發自組裝”“熱毛細對流”等現象本質相通。

然而，遺憾的是，湯姆森的這項研究在相當長一段時間里一直遭到忽視。盡管它在 1869 年被相關領域的一篇綜述引用，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象，普遍被稱作“馬蘭戈尼效應”(Marangoni Effect)，而與湯姆森的名字無關。

現在靈菲配資，馬蘭戈尼效應仍然是一個引人入勝的研究領域，廣泛應用于微流體、涂層、昆蟲在水面上行走等領域，為理解這些復雜的現象提供了理論基礎。它本質上涉及物質(最常見的是液體)在兩相界面之間的轉移，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，香港城市大學教授朱平安一直想要探究一種存在溫度梯度的情況：當滾燙液滴撞擊固體表面時會發生什么——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？馬蘭戈尼效應又會在其中發揮怎樣的作用？

液滴彈跳

液滴彈跳是一種在自然界與工業過程中廣泛存在的現象，從雨滴在荷葉上輕盈躍起，到烹飪時水滴在熱鍋中“滋滋”作響并四散飛濺，再到高溫液滴與冷表面的碰撞。“液滴順利從表面彈起”中涉及的關鍵原理廣泛應用于自清潔表面、防冰涂層、散熱技術和能量收集等領域。

熱鍋和水滴之間的水蒸氣會阻隔熱傳導，讓水滴不會立刻蒸發。圖片來源：wikimedia commons/CC BY-SA 3.0

為了實現液滴的高效彈跳，以往的研究主要集中于表面工程上，比如設計具有超疏水性能的微納結構表面。除了表面工程處理，液滴與表面之間若存在一層薄空氣膜，也可能增強彈跳。其中我們最熟悉的例子便是熱鍋里滾動的水珠。

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

這就是德國醫生約翰?G.萊頓弗羅斯特(Johann G. Leidenfrost)于 18 世紀發現的異常現象。為了紀念他，這一現象后來被稱作萊頓弗斯特效應(Leidenfrost effect)。也就是當液體接觸一塊遠超其沸點的物體或表面時，會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靈菲配資，也能托住上面的液滴。

當熱液滴撞擊冷表面

相較之下，朱平安主要把目光投向了他認為“更有活力”的液滴，即那些會發生反應，會燃燒，攜帶著許多熱量的活性液滴。在他看來，在液滴彈跳領域中，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，在發動機燃燒室的烈焰深處，還是在火災蔓延的危急時刻，隨著溫度攀升，朱平安團隊實驗里的主角——高溫或燃燒的液滴就會立刻登場。

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。以往對滾燙液滴撞擊較冷固體表面的研究揭示了一個令人沮喪的事實：高溫不會幫助液滴從較冷的表面彈起，反而會讓它們趨于在表面鋪展開來。

這會導致燃燒不完全，碳煙四起，也會使機器效率驟降，甚至會加速火勢蔓延。因此，增強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鍵。

香港城市大學的物理學家研究了熱液滴撞擊冷表面時的行為，發現熱油滴能從幾乎所有表面上彈起。圖片來源：原論文

于是在這項研究中，朱平安把注意力放在了馬蘭戈尼效應中溫度差異引發物質自發移動的可能性，結果揭示了一種新的液滴彈跳機制。他們發現利用這種機制，可以讓熱油滴自發地從幾乎任何表面反彈。相關研究于近期發表在《牛頓》(Newton)雜志上。

他們使用大豆油、十六烷和硅油等低揮發性油性液體，測試了這些油滴在室溫、加熱和燃燒狀態下，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，他們通過高速攝像機和熱成像儀追蹤這些液滴撞擊表面的過程，并輔以計算機模擬來分析液滴的行為。

結果顯示，室溫下的液滴如預期般附著在所有表面上，而加熱和燃燒狀態下的液滴卻彈跳了起來。研究者發現，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，導致液滴內部較熱的液體從邊緣流向底部，即在液滴內部引發了馬蘭戈尼對流(由溫度梯度引發的對流)。這會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，從而增強液滴的彈跳能力。