在海边玩的时候，总能在沙滩上看到大大小小的“沙雕”。不要想错，就是那些用沙子堆起来的堡垒。入门级的就是一个个小山包，更高级的则五花八门，有动物的、人形的、卡通的。沙雕的造型千变万化，仿佛每一粒沙子都有了灵魂。

图源：摄图网

建造沙雕时，需要将沙和水混合，一般认为8桶沙子兑1桶水是比较合适的比例。加上水后，原本粒粒分明、非常松散的沙子就能被粘合起来，形成结实的团块。这时就可以像捏橡皮泥一样，把大块的沙子塑造成各式各样的形状，并像搭积木一样把它们组装成沙雕。那为什么简单加点水就可以使沙粒粘合起来呢？

01水沙混合的神奇魔法

如果我们放大一堆潮湿的沙子，就会发现在沙粒和沙粒之间会沾上一小段水柱，这部分水柱的侧表面会向内凹陷。在凹陷液面的切线方向上，水柱能向两侧的沙粒产生一个拉力作用，使两侧的沙粒相互靠近，产生黏结在一起的效果。

沙粒之间的液桥能够提供粘合力，其本质是液体的表面张力图源：@中科院物理所

这些现象都有着科学上的名字。沙粒之间的水柱，叫做液桥。凹陷液面上的拉力，叫做液体的表面张力。

由于表面张力产生的黏结、靠拢甚至是相对运动，我们称这一类现象为毛细现象。可见，水的表面张力是沙粒粘合的本质原因，那它又是怎么出现的呢？这就要从更加微观的角度来解释。一滴水中包含了大量的水分子。在分子和分子之间，也会存在一定的相互作用，称为分子间作用力，或者叫做范德华力（van der Waals force）。当两个分子间的距离太近时，两者之间呈现排斥力；而当两个分子间的距离太远时，两者之间呈现吸引力。

分子间作用力随分子间距离的变化关系图源：作者手绘

在水滴内部，每个水分子在前后左右各个方向上都与其他水分子存在相互作用。由于分子间作用力的特点，这些水分子会自动调整相互之间的距离，使得每个分子在各个方向上受到其他分子的合力达到平衡状态。相当于吸引力等于排斥力。但是，在水滴表面和空气相邻的薄薄一层中，情况就不一样了。

和水滴内部不同，对于表面的水分子，只有在水滴切面和向内方向上存在其他水分子的相互作用，这会破坏空间和受力的对称性。自动调整距离后，表面水分子的分布会较水滴内部更为稀疏，分子间的距离拉大，从而在水滴表面上体现出整体的吸引作用。这就是表面张力的来源。

用一个理论上不是很准确、但比较易懂的图来帮助理解表面张力的形成，虚线代表液面上的分子分布，实线代表液面内部的分子分布，可见表面上分子之间的距离更大一些，从而在表面上体现出相互之间的吸引力图源：作者手绘

表面张力使得水滴表面相当于存在一层张紧的“薄膜”。对于沙粒间的液桥，液面上这层张紧的“薄膜”会向两侧连接的沙粒传递一个拉力，以促进它们靠拢。

但表面张力属于比较微弱的力，如果液桥的尺寸太大，表面张力将抵抗不了液体自身的重力，从而液桥就会垮塌，沙粒之间也会失去粘合连接。所以，为了盖一个结实的沙雕，也不是加水越多越好。

有研究表明，沙子中的水越多，液体桥越大，能够进一步增强粘合效果。但是，随着液体桥进一步增大，结合的力反而相应减小。在一定含水量范围内，将沙子结合起来的力和含水量无关。但是在太空中，由于微重力的环境，液桥的尺寸可以变得非常大。在我们的天宫课堂中，宇航员王亚平老师给我们进行了生动的演示。在国际空间站上，也曾经搭建过直径50毫米的液桥。

地球上的液桥最多也就几毫米，而太空中的液桥则可以非常大图源：天宫课堂除了帮助沙粒之间粘合，表面张力的作用还能在许多生活场景中看到。一杯水装满时，它的液面可以高过杯口一定距离而不洒出，这是由于表面张力束缚了内部液体的运动，相当于一层弹性薄膜兜住了水。水黾等昆虫可以在水面上自由行走，也是因为表面张力使得液面具有一定的支承能力。植物能够自发地从地底吸收水分和营养，也是依靠表面张力克服液体的自身重力，从而完成从下到上的输运。

表面张力的作用在生活中无处不在图源：sohu

02能聚能散的太空沙是什么？

现在，你应该了解了水为什么可以在沙雕中充当粘合剂。但有朋友可能会有新的疑问：有一种太空沙，它不用加水也可以拿来捏成各种形状，这又是什么原理呢？太空沙实质上是对普通沙子进行了特殊处理，即在其上覆盖了硅酮（俗称“硅油”）。这是一种由硅和氧构成的有机硅氧化物聚合物，其结构由一系列重复的单元链接成长链分子。硅酮在多个领域有着广泛应用，从日常消费品如化妆品、乳液、洗发水和护发素，到工业领域的润滑剂与密封剂，都能见到其身影。

硅酮展现出独特的物理性质。它既能作为自由流动的液体存在，也可在无外力作用时呈现缓慢流动的半固体状态，然而一旦受到压力则变成类似橡胶一样的固体形态。这种随外加载荷变化而调整其物理状态的特性被称为黏弹性。黏弹性的程度紧密关联于硅酮中聚合物链的长度。

太空沙，一种具有黏弹性的材料，可以在不同的载荷条件下体现出流体的黏性或者固体的弹性图源：@科林

硅材料在太空沙中，硅酮的聚合物链如同粘合剂一般将沙子颗粒紧密相连，使得沙子可以被任意揉捏，就像橡皮泥一样，塑造为各种形态。然而，一旦外力撤去，随着时间的推移，由于材料黏弹性的影响，太空沙又会慢慢像流体一样流动，使得塑造的形态逐渐摊平，最终塌掉。无论是普通的沙子加水，还是新奇的太空沙，塑造沙雕的过程都能给我们带来快乐。你有多久没玩过沙子了呢？看完这篇，也动动手堆一个沙雕吧！

作者：危安然，应用工程师，上海交通大学力学博士

策划&编辑：Tiara

封面图源：摄图网

来源: 上海科技馆