为什么空间站上能使用毛笔？|空间站

　　来源：中科院高能所

　　1、失重与书写

　　当宇航员进入太空时，传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖，因而无法使用。铅笔虽然可以正常书写，但微小的导体石墨粉可能带来灾难性的后果。现代的太空笔依靠气压将墨水压出。在神舟十三号的飞行任务中，翟志刚携带中国传统文房四宝进入空间站，将中华儿女骨子里的剑胆琴心展现得淋漓尽致。

　图1 神舟十二号航天员刘伯明在[开学第一课]中挥毫写下"理想"二字

　　且慢，为什么别的水笔不能用，毛笔这诞生于先秦的古老文具，能在21世纪的星海探险中发挥作用？

　　要回答这个问题，我们要首先思考一番，毛笔是怎么书写的。答案看起来很简单：毛笔上面吸收了墨水，在笔尖与纸张接触的时候，墨水就从笔尖转移到了纸上。但是，如果深入思考，为什么只有当毛笔接触到纸张时，墨水才发生转移，其他时候呢？

　图2 舔笔，如果蘸墨太多，就可以用砚台边缘把多余的墨水刮掉

　　实际上，墨水自动发生转移也是常有的事情。初学者有时候会一口气蘸上太多的墨水，墨水就会从笔尖上滴下来。毛笔蘸墨时会有特殊的技巧：只需把笔尖的一部分浸入墨中，这样可以保证只吸入适量的墨水，墨水就不会从笔尖滴落。所以，一支毛笔能留住的墨水，有一个上限。

　　2、一股神奇的力

　　透过现象看本质，既然毛笔可以留住墨水，那么一定有一个机制来克服重力，这个机制会是什么呢？我们不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛笔笔尖是一个开放的区域，各处的大气压是平衡的，于是只需要考虑重力与分子之间的相互作用。分为两种，一部分是液体分子之间的互相作用，而另一部分是液体与容器壁分子之间的相互作用，使液体黏附或者疏离。两种相互作用都有摩擦力，微观上体现为电磁相互作用，如果在宏观上结合起来，就带来一种叫做毛细现象的神奇现象。

　　毛细现象是指，将一根毛细管浸入液体中，相比管外液面，管内液面会自发向上或向下发生移动。对于生活中常见的液体，例如水和酒精，它们在细管中均会上升。在化学实验配置溶液时，使用量筒读数时，视线应与凹液面最低处或者凸液面最高处平行。对于凹液面，由于水能浸润玻璃，因此会被吸附在容器边缘，再由于表面张力而沿着器壁自发移动，体现为上升，从而体现为边缘高，中心矮。

　图3 不同液体中的玻璃毛细管

　　量筒中的水银则反之：由于水银不能浸润玻璃，从而有强烈的趋势"逃离"容器壁，表现为下降。当粗大的量筒不断变细，细到液面发生变化的尺度，已经与管的直径相当，此时细管内的液体将整体发生移动。管越细，液面上升或下降就越显著，因此得名为毛细效应。

　　3、毛细现象的背后

　　毛细现象第一眼看上去很违反直觉。人们常说，"水往低处流"，为什么水可以自发往高处移动？能量守恒定理告诉我们，能量不会凭空产生或消失，液柱上升的过程伴随重力势能的增大，因此一定能找到另一种能量，在这个过程中是降低的。没错，这种能量来自液体的表面张力。

　　首先考虑液体-气体（或者真空）的交界面。在界面两侧，液体分子的组合形式有很大的差异。

　图4 液体与界面处的分子有不同的相互作用大小

　　在液体表面与内部，液体分子之间形成的相互作用很不相同。表面的液体分子互相连接更少，相互作用更弱，于是两侧受力不均。在这种受力不均的情况下，内部受力较大，将自发向外部"突出"，于是在不受重力的情况下，一团液体将呈现球形。在这种情况下，表面张力将使液体分界面变弯，使之达到能量最低的稳定状态。

　　而在液-固交界面，除了液体分子相互作用的作用力，液体分子与固体分子（原子）的相互作用也变得不可忽视。分子之间的相互作用，通常可以用莱纳德-琼斯势表示：

图5 分子间相互作用与距离的关系

　　对于液体与固体分子之间的典型距离.............

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