前言

在日常生活中，我们是否经常会观察到一些司空见惯的现象，并产生好奇之心？比如，一根密度大于水的钢针为什么能够浮在水面上？盛水杯子的杯壁与水平面为什么不是直接垂直，而存在一个过渡的弧形弯曲液面？往盛满水的杯口继续加水，水为什么不是立即溢出来？下雨后，蜘蛛网上为什么会留下一串串晶莹的水珠？下雨时雨滴为什么容易粘在车窗上而不容易滚下来？荷花和芋头的叶子为什么能够不沾水，并且能够出淤泥而不染？树林中的蝉为什么能够在下雨天自如地飞行而不怕淋湿翅膀？水黾和水蜘蛛等小动物为什么能够在水面上自由地行走、跑跳？蚊子为什么能够在水面上产卵而不被水粘住？洪水发生时，蚂蚁为什么会自行聚成一团从而安然地度过洪灾？……

你可知道吗，所有的这些新奇现象都与毛细和浸润现象息息相关，它们都涉及一个关键词，即液体的“表面张力”。表面张力是如何产生的呢？简单来说，液体与空气接触的表面（或称“界面”）与液体内部的结构大不一样，这个表面层就像一层薄膜一样绷在液体上面，从而产生了使表面积趋于最小的表面张力。当一个物体的尺寸缩小到一定程度时，它所受到的重力等与体积相关的力跟表面张力比起来显得微不足道，这个时候表面张力的影响就会凸显出来。在这种尺度下，表面张力往往以很微弱的作用就能够引发很多奇特的物理现象，这种特性有别于传统意义上的力，例如压力、支持力、电磁力等，因而我们常常称其为“非经典力”。

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，其目的是通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象的机理。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。

由于水平所限，文中错误之处在所难免，希望读者不吝批评指正，提出宝贵意见。在本书的撰写过程中，硕士研究生孙静、左平成、曹高峰、李善鹏、龚宇龙等进行了相关材料的收集工作，特此致谢。本书的成稿也得益于该书作者在清华大学攻读博士学位时，在导师余寿文教授和冯西桥教授指导下的知识积累和科学训练，在此表示感谢。本书得到了国家自然科学基金项目“自然魔法师：神奇的表面张力（11320003）”的资助，为此感谢国家自然科学基金委员会的支持。