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刘建林 著

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店铺： 北京爱读者图书专营店

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302434542

商品编码：29730064587

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

书名：微力无边：神奇的毛细和浸润现象

定价：39.00元

作者：刘建林

出版社：清华大学出版社

出版日期：2016-06-01

ISBN：9787302434542

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：32开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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一根钢针为何能够浮在水面上？荷花叶子为何能够出淤泥而不染？往盛满水的杯口继续加水而水为何不溢出？雨后蜘蛛网上为何留下一串串晶莹的水珠？蝉为何可以在雨中自如地飞行而不怕淋湿翅膀？蚂蚁为何会自行聚团从而安然度过洪灾？所有这些有趣而奇特的现象是如何发生的？又是如何启发人类“向自然学习”而进行仿生设计的？ 《微力无边：神奇的毛细和浸润现象》由原点阅读出品。原点阅读（The Origin）（微信号：ydreadtup），清华大学出版社旗下的图书品牌，秉承“科学，让个人更智慧，让社会更理性”的理念，致力于科学普及和科技文化类图书的出版，传播科学知识、科学精神、科学方法，展现科学的真实、独立、智慧、多变、宽容、动人及迷人。

内容提要

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在日常生活中，我们经常会对这些司空见惯的现象产生疑问：一根钢针为何能够浮在水面上？荷花叶子为何能够出淤泥而不染？往盛满水的杯口继续加水而水为何不溢出？雨后蜘蛛网上为何留下一串串晶莹的水珠？蝉为何可以在雨中自如地飞行而不怕淋湿翅膀？蚂蚁为何会自行聚团从而安然度过洪灾？所有这些有趣而奇特的现象是如何发生的？又是如何启发人类“向自然学习”而进行仿生设计的？这些新奇的现象都是与毛细和浸润现象息息相关的，它们都涉及到一个关键词，即液体的表面张力。从日常生活到自然界，再到工农业生产，毛细现象和表面浸润行为真可谓无处不在。通过深入研究而揭示表面张力的作用机制对于我们理解和把握这些浸润现象至关重要，这可以为新型结构和材料的仿生设计奠定理论基础。实际上，自然界中各种各样的毛细和浸润现象启发了人类的灵感，使我们通过“向自然学习”，进而可以仿生、制造出很多新产品，从而产生了表面仿生学这一前沿交叉学科。通过研究毛细和浸润现象，我们可以恰当地配置农药和涂料、合理地进行矿物浮选、制备不沾水和不沾油的材料、研制微小的船舶、合理设计微机电系统的构件、通过表面活性剂进行化学驱油等。 本书的一个重要特点是摒弃了复杂的数学公式和方程描述，通篇只采用了几个必要的简单公式以辅助读者进行理解，其目的是为了通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象的机理。因此，我们相信具有高中以上文化程度的读者均可以毫无障碍地阅读本书。此外，本书也可作为有志于研究固体力学、物理学、仿生学、微纳米材料等领域的研究人员的研究素材。

目录

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章 神奇的毛细和浸润

1.1 表面浸润现象

1.2 表面张力——绷在液体表面的薄膜力

1.3 曲率

1.4 光滑表面上的接触角

1.5 毛细现象

1.6 有趣的尺寸效应

1.7 粗糙固体表面上的接触角

第2章 植物隐藏的魔力

2.1 莲花效应

2.2 亲水基底上产生超疏水状态的秘密

2.3 参天大树能够长多高

第3章 成功驾驭毛细力的智慧小动物

3.1 池塘里的溜冰者——水黾

3.2 水面承载能力强的昆虫——蚊子

3.3 轻松翻越弯液面的小虫子

3.4 蚂蚁救生筏

3.5 毛细棘轮效应——水鸟喙的摄食

3.6 神奇的沙漠集水本领——纳米比亚沙漠甲虫

3.7 泥浆吸水——德克萨斯角蜥

3.8 蜘蛛网截雾取水

第4章 毛细力驱动的自组装

4.1 MEMS中的毛细粘附现象

4.2 鬼斧神工的碳纳米管自组装形貌

4.2 浑然天成的多级结构

4.2.1 壁虎的脚

4.2.2 贝壳的多级结构

4.2.3 多级毛细粘附结构

4.3 液面上互相吸引和排斥的微小物体

第5章 基于毛细效应的传感装置

5.1 悬臂梁传感器

5.2 液滴-微梁传感器

5.3 薄膜在液滴作用下的大变形

5.4 薄膜的毛细屈曲和褶皱

第6章 驱动液滴运动的司机

6.1 液滴在液体界面上的定向运动

6.2 液滴在固体表面上定向运动

第7章 不可思议的液珠弹珠

7.1 液滴弹簧

7.2 液体弹珠

7.3 液体弹珠的有趣应用

第8章 界面张力在三次采油中的作用

8.1 石油概述

8.2 二次采油之后剩余油的成因

8.3 三次采油中毛细力的作用

附录

附录1托马斯-杨之力学贡献

附录2 麦克斯韦对应用力学的贡献

附录3 细长杆弹性线模型的发展历史

附录4 表面浸润的机制：小作用量原理简介

作者介绍

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刘建林，男，1977年生于青岛。2008年1月于清华大学航天航空学院获得博士学位，现任中国石油大学（华东）工程力学系教授、博士生导师。主要研究内容包括表界面力学、仿生力学、软物质力学等。已发表的学术论文被SCI收录40余篇。

文摘

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序言

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《微力无边：神奇的毛细和浸润现象》图书简介 导言：无处不在的微小之力 当我们凝视一滴水珠在荷叶上滚动的晶莹剔透，或观察植物如何将根部吸收的水分输送到高耸的树冠时，我们都在见证一种宏大力量背后的微小奇迹——毛细现象与浸润现象。它们是自然界中最普遍、却又常常被忽视的物理现象，深刻地影响着我们生活的方方面面，从生物体的生命维持到现代工业的精细制造。 本书《微力无边：神奇的毛细和浸润现象》旨在深入浅出地揭示支撑这些现象的底层科学原理。我们不将焦点局限于枯燥的理论推导，而是力求以生动、直观的方式，带领读者领略这些微观尺度上的相互作用如何塑造了宏观世界。 第一部分：基础概念的构建——分子间的舞蹈 要理解毛细现象，首先必须理解物质世界最基本的构造和相互作用。本书的开篇将带领读者进入分子和原子构成的微观世界，详细阐述构成液体和固体表面的基本单元。 一、表面张力的起源：液体的“皮肤” 液体表面似乎拥有一层“皮肤”，能够抵抗外力。我们会解析这种表面张力是如何产生的：液体的内部分子受到各个方向均匀的吸引力，而表面分子只受到来自内部的拉力，这种不平衡的合力使得液体倾向于收缩其表面积，追求最低的能量状态。我们将通过日常观察到的水滴呈球形、针浮水面等现象，直观地体会表面张力的威力。 二、理解浸润与非浸润：亲和力的较量 浸润（Wetting）是毛细现象发生的先决条件。它描述了液体与固体表面之间的相互作用。我们将引入接触角（Contact Angle）这一核心概念，它是衡量液体在固体表面铺展程度的量化指标。 亲水性与疏水性（Hydrophilic vs. Hydrophobic）： 我们将对比水在玻璃和蜡质表面上的行为差异。这背后的驱动力在于附着力（Adhesion）和内聚力（Cohesion）之间的竞争。附着力是液体分子与固体分子之间的吸引力；内聚力是液体分子彼此之间的吸引力。当附着力大于内聚力时，液体铺展，形成浸润现象；反之，液体收缩成珠状，形成非浸润现象。 表面能的概念： 深入探讨固体的表面能，以及它如何决定了材料的浸润特性。我们将讨论如何通过表面改性技术，例如涂覆特氟龙或利用纳米结构，来调控材料的疏水性，为仿生学应用打下基础。 第二部分：毛细现象的物理机制——升降的奥秘 浸润性一旦确立，毛细现象便应运而生。本书的第二部分将聚焦于描述液体在狭窄空间内自动上升或下降的机制。 一、毛细管的原理：狭窄空间内的引力反抗者 我们会详细分析毛细管（Capillary Tube）现象：当一根细管插入液体中，如果液体对管壁具有浸润性，液面会凹陷并沿管壁上升，反之则凸起下降。我们将通过拉普拉斯方程（Laplace Equation）的简化形式，推导出著名的毕托管公式（Jurin's Law）。 影响因素的量化分析： 公式清晰地揭示了毛细管上升高度与液体表面张力、液体密度、重力加速度以及毛细管半径之间的定量关系。这部分将强调半径对上升高度的决定性影响——半径越小，上升越高。 二、孔隙介质中的宏观表现 毛细现象并不仅限于玻璃细管。在多孔介质中，例如土壤、海绵、纸张和岩石中，无数微小孔隙构成了复杂的网络。 土壤中的水分传输： 我们将探讨毛细作用如何在土壤中将水分从湿润区域向上输送到干燥的植物根系，这是植物营养物质吸收的关键环节。 海绵与过滤： 分析海绵吸水以及实验室过滤纸的工作原理，这些都是毛细作用力与介质孔隙结构相互作用的实例。 第三部分：自然界与生命中的毛细与浸润 毛细和浸润现象是地球生命得以延续的无形之手。本部分将跨越物理和生物的边界，展示这些现象的广泛应用。 一、植物的“不朽之梯”：木质部与蒸腾拉力 植物如何克服地心引力，将水分子从根部输送到百米高空的叶片？我们将深入探讨内聚力-张力机制（Cohesion-Tension Theory）。在这个理论中，水分子间的强大内聚力（源于氢键）在蒸腾作用产生的负压（张力）下，形成了一股连续的“水柱”，这完全依赖于水分子之间的紧密粘连和对木质部管壁的附着力。 二、生物体的调控：从细胞膜到昆虫行走 细胞渗透与膨压： 细胞如何维持形态和进行物质交换，很大程度上依赖于细胞膜表面的浸润特性以及水势的差异，这直接关系到植物的挺立和动物细胞的稳定。 水黾的“特异功能”： 为什么水黾能轻盈地立于水面？这是对表面张力原理的完美展示。水黾的腿部具有微小的疏水结构，使得水面弯曲凹陷，产生的向上支撑力大于水黾自身的重量。 第四部分：工程应用与前沿科技 理解了基本原理，我们便能驾驭这些微小的力量，将其转化为解决实际问题的工具。 一、微流控技术与芯片实验室 微流控（Microfluidics）技术是现代生物医学分析领域的前沿阵地。它利用微米尺度的通道来精确控制和操纵微量液体。 被动流体控制： 在微流控芯片中，流体的流动往往是完全由毛细力和表面张力驱动的，无需外部泵送。我们将介绍如何设计通道几何形状来实现液滴的生成、分离和混合。 二、防污与自清洁材料 从“荷叶效应”中获得的灵感催生了超疏水材料。 仿生结构设计： 探讨如何通过模仿自然界中某些植物或昆虫表面的微纳结构，制造出具有极高接触角（接近180°）的材料。这些材料不仅能有效防水，还能通过“自清洁”机制带走附着的灰尘颗粒。 三、热管理与能源领域 在微电子设备和燃料电池中，高效的热量管理至关重要。 热管技术： 热管（Heat Pipes）是利用液体在蒸发和冷凝过程中相变的有效传热装置。其中，液体（通常是水或氨）被导管壁上的毛细结构（如烧结粉末或网格）引导回蒸发端，实现了高效、无功耗的循环。 结语：微小中的无限可能 《微力无边：神奇的毛细和浸润现象》不仅仅是一本物理科普读物，它是一部探索分子间和谐共舞的史诗。从清晨的露珠到庞大树木的生命支持系统，从基础化学实验到尖端芯片制造，毛细和浸润现象以其无形的力量，编织着我们周围世界的物理法则。通过本书的学习，读者将能够以全新的视角审视日常现象，并激发在材料科学、生物工程和纳米技术等领域中利用这些“微力”的无限潜力。掌握了这些基础原理，便等于获得了开启微观世界大门的钥匙。

评分☆☆☆☆☆

我一直对自然界中那些看似微不足道的细节充满兴趣，而“微力无边：神奇的毛细和浸润现象”这个书名，精准地抓住了我的好奇点。它没有那种宏大叙事的压迫感，反而像一个温和的引导者，邀请你去探索那些隐藏在日常事物背后的精巧机制。我尤其喜欢它从“微力”这个角度切入，这让我意识到，很多我们认为理所当然的现象，其实都依赖于那些看不见的、微小的力量在起作用。比如，想象一下，为什么纸巾能够迅速吸水？为什么我们画画时，颜料能均匀地渗透进画布？这些看似简单的行为，背后却蕴含着复杂的毛细现象和浸润原理。这本书的选材非常贴近生活，让我觉得科学不再是实验室里的冰冷公式，而是渗透在我们呼吸、饮水、乃至日常用品中的活生生的存在。我期待这本书能够用一种生动有趣的方式，为我揭示这些“微力”的奥秘，让我能够用全新的视角去观察世界，去理解那些曾经被我忽略的美丽细节。它 promises to be an enlightening journey, one that will enrich my understanding of the world around me.

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，“微力无边：神奇的毛细和浸润现象”，听起来就充满了探索的魅力。我一直觉得，很多时候，那些最深刻的科学原理，就隐藏在我们最习以为常的日常现象之中。比如，为什么水杯边沿会出现水痕？为什么某些织物能够做到防水？这些背后一定有不为人知的科学故事。“微力”这个词，一下子就点出了关键，它提醒我们，即使是微不足道的力量，也能产生巨大的影响。而“毛细”和“浸润”，这两个词则为我们描绘了一个具体的科学领域，让我联想到那些在微小尺度下发生的奇妙互动。我特别喜欢那些能够将复杂的科学概念，用生动形象的语言和贴近生活的例子来阐述的书籍，而这本书的标题就给我带来了这样的预期。我希望它能带我走进一个微观的世界，去感受那些肉眼看不见的“微力”是如何工作的，去理解它们在自然界和人类科技中扮演的重要角色。我期待这本书能够让我对“水”这个最常见的物质，以及它与各种材料的互动，有一个全新的、更深入的认识，就像打开了一扇通往奇妙科学世界的大门。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就很有趣，“微力无边：神奇的毛细和浸润现象”。我之前对这些概念了解不多，只隐约记得高中物理里好像提到过。拿到书后，我第一眼就被封面吸引了，那是一种很柔和的蓝色调，上面点缀着一些仿佛水滴在植物叶片上形成的奇妙纹路，光影效果处理得非常到位，一看就充满了科学的神秘感和艺术的美感。翻开目录，看到里面章节的标题，比如“水滴为何能攀爬植物叶片？”，“颜料如何渗入画布？”，“陶瓷是如何吸收水分的？”，这些都是我们生活中司空见惯却又从未深入思考过的现象。我尤其对“水滴为何能攀爬植物叶片”这一章充满了好奇，想象着微小的力量如何能对抗重力，把水输送到植物的每一个角落，这一定涉及到许多精妙的物理化学原理。同时，书名中的“浸润”二字也让我联想到很多有趣的场景，比如油画颜料如何与画布发生反应，或者某些材料如何能够防水防污，这些都让我觉得这本书不仅仅是介绍科学原理，更可能揭示了许多生活中的“魔法”。整体而言，这本书给我一种既能学到知识，又能获得视觉享受的期待感，让我迫不及待想 dive into 它的内容。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，让我立刻联想到了一些画面感十足的场景。比如，晨露如何在花瓣上凝结成晶莹剔透的水珠，又如何沿着叶脉悄悄蔓延；又比如，一杯咖啡倒在桌面上，咖啡渍是如何以一种看似随意却又遵循一定规律的方式扩散开来。这些都是“毛细”和“浸润”现象的直观体现，而“微力无边”则恰如其分地强调了这些看似微小力量的巨大作用。“神奇”二字则更是激发了我想要一探究竟的欲望。我一直觉得，自然界充满了各种令人惊叹的巧合和设计，而这些巧合和设计背后，往往隐藏着深刻的科学原理。我希望这本书能够用一种通俗易懂的方式，为我解读这些“神奇”现象的背后逻辑，让我不再仅仅是作为一个旁观者去惊叹，而是能够真正理解它们是如何发生的，又为何会发生。我想，读完这本书，我可能会对很多习以为常的事情产生全新的认识，甚至会引发我更多的思考和探索。它就像一本开启了新视界的钥匙，让我能够更深入地洞察隐藏在日常之下的科学之美。

评分☆☆☆☆☆

“微力无边：神奇的毛细和浸润现象”这个书名，简直就是一种科学的诗意表达。当我看到“微力”这个词的时候，我脑海里立刻涌现出无数的画面：水在细小的管道中向上流动，墨水在纸上晕染开来的纹理，甚至还有一些生物体内的液体传输过程。而“毛细”和“浸润”这两个关键词，更是精确地指出了这本书的核心主题，它们是理解这些微观世界运作的关键。我一直对那些能够用简单的原理解释复杂现象的科学书籍情有独钟，而这本书的标题就给我带来了这种感觉。它暗示着，通过理解这些“微力”，我们可以解锁很多关于物质世界运作的秘密。我非常期待这本书能够提供一些引人入胜的案例研究，让我能够看到这些科学原理是如何在实际生活中发挥作用的。也许，读完这本书，我再也不会仅仅把水滴看作是液体，而是会想到它背后那些精妙的表面张力和附着力；我可能再也不会把颜料的扩散看作是随机的，而是会理解到它遵循着浸润的法则。总之，这本书给我带来了一种期待，期待它能够让我对这个世界的物质层面有更深刻、更细致的理解。