1.失重与写作
当宇航员进入太空时，传统的钢笔和圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖，使其无法使用。 尽管铅笔可以正常书写，但微小的导电石墨粉末可能会带来灾难性的后果。 现代太空笔依靠气压将墨水推出。 神舟十三号任务期间，翟志刚将国学四宝带入空间站，淋漓尽致地展示了中国人骨子里的剑、胆、琴。
图1 神舟十二号航天员刘伯明在【开学第一课】写下“理想”二字
等等，为什么其他水笔不能用呢？ 毛笔这个诞生于先秦的古老文具，能否在21世纪的星海探索中发挥作用呢？
要回答这个问题，我们首先要思考毛笔是如何写字的。 答案似乎很简单：毛笔吸收墨水，当笔尖与纸张接触时，墨水从笔尖转移到纸张上。 但如果你进一步想一想，为什么墨水只有在毛笔接触纸张时才会转移，而在其他时候则不会呢？
图2 舔笔。 如果墨水过多，可以用砚台的边缘刮去多余的墨水。
事实上，墨水自动转移是很常见的。 初学者有时会一下子沾太多墨水，墨水会从笔尖滴下来。 毛笔蘸墨有一个特殊的技巧：只需将笔尖的一部分浸入墨中即可。 这样可以确保只吸收适量的墨水，并且墨水不会从笔尖滴落。 因此，毛笔所能保留的墨水量是有上限的。
2.神奇的力量
透过现象看本质，毛笔既然能留墨，就一定有克服重力的机制。 这个机制可能是什么？ 我们不妨看看墨水分子受到了什么力。 由于画笔尖端是开放区域，各处的大气压都是平衡的，因此只需要考虑重力和分子之间的相互作用。 它分为两种，一种是液体分子之间的相互作用，另一种是液体与容器壁分子之间的相互作用，使液体粘附或疏离。 两种相互作用都存在摩擦，在微观层面表现为电磁相互作用。 如果从宏观上结合起来，就会带来一种神奇的现象，叫做毛细现象。
毛细管现象是指当毛细管浸入液体中时，管内液位相对于管外液位会自发地向上或向下移动。 对于生活中常见的液体，例如水和酒精，它们会在细管中上升。 化学实验中配制溶液时，用量筒读数时，视线应平行于凹液面的最低点或凸液面的最高点。 对于凹形的液面，由于水可以润湿玻璃，因此会吸附在容器边缘，然后由于表面张力的作用，自发地沿着容器壁移动，表现为上升，从而表现为高边缘和低中心。
图3 不同液体中的玻璃毛细管
对于量筒中的汞来说，情况正好相反：由于汞不能润湿玻璃，因此它有很强的倾向从容器壁“逸出”，表现为水滴。 当粗的量筒不断变薄，直到液位变化的刻度与管的直径相当时，细管中的液体就会整体移动。 管子越细，液位上升或下降越显着，因此称为毛细管效应。
3.毛细现象背后
毛细现象乍一看似乎违反直觉。 人们常说：“水往低处流”。 为什么水可以自发地流到更高的地方？ 能量守恒定律告诉我们，能量不会凭空产生或凭空消失。 液柱的上升过程伴随着重力势能的增加，因此必须找到另一种能量，该能量在该过程中减少。 是的，这种能量来自液体的表面张力。
首先考虑液-气（或真空）界面。 在界面两侧，液体分子的组合有很大不同。
图4 液体与界面分子的相互作用大小不同
液体分子之间的相互作用在液体表面和内部有很大不同。 表面液体分子之间的联系较少，相互作用较弱，因此两侧的力不均匀。 在这种受力不均的情况下，内力更大，会自发地“突出”到外面。 因此，在没有重力的情况下，一群液体将呈现球形。 在这种情况下，表面张力将使液体界面弯曲，使其以最低能量达到稳定状态。
在液固界面处，除了液体分子之间的相互作用力外，液体分子与固体分子（原子）之间的相互作用也变得不可忽略。 分子间的相互作用通常可以用伦纳德-琼斯势来表示：
图5 分子间相互作用与距离的关系
对于液体和固体分子之间的典型距离，两者之间存在吸引力相互作用。 如果液体表面与固体之间的吸引力超过液体分子之间的吸引力，我们认为固体表面可以吸收液滴，这称为润湿。 例如，水可以润湿玻璃，但不能润湿蜡烛。 但如果液体分子之间的相互作用更强，例如汞原子之间的相互作用强于汞和玻璃分子之间的相互作用，则液体不能润湿固体。
图6 固体表面上液滴的形态。 化学实验中，必须将烧杯清洗至出现水膜(a)水的毛细现象，且不能聚集成水滴或成溪流流下(b、c)，因此利用渗透原理
结合之前液体分子的相互作用以及液体分子与外部固体分子之间的相互作用，我们得到表面张力，并根据这两种相互作用的大小，将液-固分为两类：可润湿或不可润湿。
问题的答案是这样的。 毛细作用实际上需要液体分子的相互作用以及液体与表面之间的相互作用之间的平衡。 在达到平衡的过程中，液体表面发生变形。 刷子的材质是动物毛，是蛋白质，可以像玻璃一样被水润湿。 由于分子间相互作用不受重力影响，空间站中自然会出现毛细管现象。 因此，毛笔在失重的情况下可以照常吸收墨水并正常书写。
4．毛细管现象的利用
从毛细管现象的描述中，我们可以直接得出两个推论：
(1)由于阻力的存在，无法利用毛细管现象连续做功，所有的“永动机”都是不可能实现的。
(2)如果没有摩擦力，毛细管将继续将液体向上吸，直至充满整个管子或从顶部喷出。
(2)这就是著名的“超流体”现象。 超流是一种宏观量子现象，其原理相对复杂，本文不予详细描述。 直观地说，超流体的特点是流动时不会遇到阻力。 它与普通流体的微观结构存在巨大差异。 就像液态和气态一样，它们属于不同的物理状态。 一定温度下的液氦就是这样一种超流体，可以从毛细管喷发形成喷泉。
图7 超流液氦喷泉
液氦喷泉仍然满足能量守恒：当液氦从毛细管中喷出时，容器内液氦的温度会升高。 这种现象称为“机械热效应”。 当超流液氦被加热到特定温度，即约负271℃（准确地说约为2.18K）时，超流液氦就会变成普通液氦，喷泉停止工作。 整个过程相当于原来的化学能（本质上是电磁相互作用的势能）转变为重力势能和动能，再转变为化学能。
此外，不可润湿材料也具有很强的应用价值，例如汞和玻璃。 当水银倒入量筒时，其液面向上隆起，表明水银会自发地沿着玻璃壁落下。 由于这种特性，汞会在玻璃毛细管中下落，而不是像水一样上升。 这一特性被用于温度计的生产：温度计的玻璃泡和测量管之间有一根很窄的管子。
图8 液泡和温度计测量部分之间的细管，水银柱很容易破裂
当温度测量完成，将温度计拿到空气中时，液泡的温度迅速下降水的毛细现象，导致水银收缩。 由于毛细管现象，弯曲处的细液柱被破坏，使进入测量管的汞无法返回液泡。 因此，体温计一旦离开人体，其指示就不再改变。
对于那些疏水性极强的材料，液体与容器壁之间的吸引力很小，液滴可以在表面自由滚动。 荷叶的表面充满了纳米级的突起，可以防止水渗入荷叶，也可以防止水滴停留在这种水生植物的叶子上。
图9 疏水性植物叶子
5.总结
当我们仰望星空、仰望大海的时候，前人的创造智慧也在看着我们。 希望三位宇航员能在太空安全、快乐地度过半年，创作出与地面一样美丽的书法作品。