溶液在我们的生活中随处可见，与我们息息相关。当溶液被放置在容器中，液体和器具表面就会存在固液界面，放在空气中存在气液界面。那么此时大家一定会好奇，这个界面是否存在物理规律，它又能对我们的科学技术有哪些帮助呢？本期我们就来探讨一下，溶液与其他物质的界面。
何为界面？它是物体和物体之间的接触面，在物理化学中，它是物质相与相之间的分界面。在各相之间存在气-液、气-固、液-液、固-固和气-固五种不同的界面。当组成界面的两相中有一相为气相时，常被称为表面。
PART 1
最典型的关于表面的例子就是荷叶。在盛夏的荷花池中，总可以看到荷叶上承载着晶莹的露珠，只要稍微施加力度，露珠就可以顺着荷叶滑落，那为什么荷叶不会被水沾湿？其实就是“荷叶效应”在起作用。1997年W.Barthlott和C.Neinhuis发表了“荷叶效应”的原始文章，通过研究荷叶表面的微观结构，发现荷叶表面并不光滑，而是由一个个小乳突的粗糙表面。这种表面使得水珠在荷叶表面上自由滚动而不沾湿荷叶。
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表面物理化学中的杨式方程告诉我们：
其中θ为接触角，γ为表面能，将其变形之后得到如下公式：
这个方程指出，是否润湿取决于液滴扩大表面所需要的能量与由于覆盖基底材料而获得的能量之间的大小，后者能补偿前者时可以浸润，最终使得系统的能量最小；反之，当基底材料的表面能低于液滴的表面能时一定不会使液滴铺展。因此想得到一个疏水的表面，其表面一定是低能表面。同时粗糙的表面导致液滴与表面间接触面积减少，使得液滴只能停留在乳突尖端上，空气被密封在乳突中间，使得液滴被支撑起来。
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PART 2
水和荷叶的固液界面使得水珠不会沾湿荷叶表面，那又是什么使得水凝聚成水珠的呢？
答案是表面张力。液体具有内聚性和吸附性，这两种都是分子引力的表现形式。内聚性使液体能抵抗拉伸引力，吸附性则可以使液体黏附在其他物体上面。在液体和气体的分界处，由于分子之间的吸引力，产生了微小的拉力，因为荷叶表面不吸附水，所以水在拉力的作用下凝聚成水珠。
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既然水与空气的界面存在表面张力的作用，那水和杯壁之间呢？在我们倒水的时候，满杯的水面高出杯口而不外溢这是表面张力的作用，而水沿着杯壁有向上爬上的迹象也是表面张力的作用。这是因为杯壁上的水分子之间的张力比中间的水分子更强一些，不过杯壁侧的水比液面高还是低却决于液体与容器材料的“浸润性”。也就是接触层固液之间的作用力与液体之间作用力的大小关系。附着层中的液体分子受容器分子的吸引比液体内部强，则附着层中的液体分子更大面积的贴近容器，此时会出现“凹液面”。如水在玻璃容器中。反之，固液接触层，固液之间的引力弱于液体内部的引力，则液体不易与容器贴近。而是更“紧密团结”在液体内，如水银在玻璃容器中。
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但我们常见的溶液并不只有水，里面还有溶质，比如糖水和盐水。这里笔者问各位读者一个小问题，在你们面前有一杯盐水和一杯糖水，对于盐水是表面咸还是里面咸？糖水是表面甜还是里面甜呢？
其实在初高中时我们就经常被告知，溶液具有均一性，溶液的浓度上下一致，但随着我们对于物理化学知识的愈加深入，事实告诉我们，溶液表面的溶质浓度常常与体相不同。学名为“溶液的表面吸附”，其成因是表面分子受到的分子间作用力与体相分子不同，从而产生了表面张力。溶质分子的浓度可以改变表面分子所处的分子间作用力场，从而影响表面张力的大小。当溶质分子的浓度升高有助于降低表面张力、从而降低表面能时，溶质分子就会倾向于在溶液表面层聚集，称为正吸附，反之则称为负吸附。
J W Gibbs最早定义了单位面积的表面溶质相比于体相的物质的量增量为表面超量：
进而根据表面热力学关系推导出了又名的Gibbs吸附方程：
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一般而言，大部分极性有机化合物的水溶液的表面张力都随浓度升高而减小，因此表面超量为正，发生正吸附。而无机盐或若干与水形成多重氢键的分子会增大溶液的表面张力，发生负吸附。对于蔗糖和盐水溶液它的表面张力随浓度上升而增大，因此发生负吸附。对于葡萄糖则是发生正吸附，所以表面比较甜。
PART 3
总结来看，如果能够调控界面的物相组成就可以改变表面张力的大小。对于液体而言，一种溶质溶于其中，可能增大表面张力，例如可溶性无机盐，称为表面惰性物质；也可能降低表面张力，比如众多的可溶性大分子有机物。界面科学中把能降低液体表面张力的物质称为表面活性剂。表面活性剂又称为工业味精,具有润湿、起泡、增溶、乳化、洗涤等作用,被广泛地应用于石油、纺织、农药、医药、采矿食品、民用洗涤等各个领域。
表面活性剂溶于水中时随着浓度的不同会有不同的分布排列情况。浓度极小时，表面活性剂分子在溶液中随机分布；随着浓度上升，分子自发的向溶液表面聚集，并出现极性基团朝向溶液内部、非极性基团朝外的竖直排列方式。
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自发条件下,热力学体系都是由不稳定朝向稳定的平衡态变化,因此,能够降低表面张力的因素可以使得体系变得更稳定。对于表面活性剂分子而言,极性基团的亲水性使其尽可能进入溶液本体,非极性基团的疏水性则使其尽可能逸出液面, 从而使得液面的表面活性剂分子呈现出竖直排列的趋势。
由于非极性基团之间的作用力小于极性基团之间的作用力,非极性基团在液面的分布降低了气液两相间分子间吸引力之差。因此,表面活性剂分子在液面的竖直排列和聚集可以降低溶液表面张力,使得相界面体系变得更稳定;表面活性剂分子自发朝液面移动和聚集,出现表面活性剂在液面的浓度大于溶液本体浓度的现象,界面科学中称为表面吸附。
讲到这里是不是觉得知识又串回来？其实无论是物理学知识还是其他学科，知识都是共通的。也许在课本上讲的是不同的公式，但是其中总是有共同的物理量。所以不要觉得讲专业术语听不懂啦，其实你们很棒的哒好不啦~跟随物理所一起进入知识的殿堂吧！
[1] 成娟,李玲,刘科.液体表面张力系数与浓度的关系实验研究[J].中国测试,2014,40(03):32-34.
[2] Barthlott, W., Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202, 1–8 (1997).
编辑：蓝多多
