作者 | 科学公园主编魏昕宇

我们在洗头之后，总会发现湿头发一缕一缕聚在一起，怎么也分不开。不知你有没有认真思考过这种现象背后的成因？其实，让湿头发粘在一起的原理在自然界中广泛存在，蕨类植物和蜂鸟都离不开它。基于同一种原理，科学家们还改进了光刻技术，甚至制造出了新的纳米结构。

为什么湿头发总会粘在一起？要想知道答案，我们先得来了解另外一种常见的现象：当把一根非常细的玻璃管（也称毛细管）插入一杯水中时，会发现管中水的液面要比管外杯中高出不少。没错，这就是毛细现象。

在中学物理课上，我们学到了毛细现象来自于水与玻璃管的浸润作用与重力的博弈（见《科学世界》2017 年第11 期“毛细现象”一文）。由于水能浸润玻璃，或者说水与玻璃界面的表面能小于玻璃与空气界面的表面能，因此，表面张力能够提供一个向上的力。这个力的大小与水柱高度无关，与毛细管的半径成正比。而毛细管内水柱所受的重力是由体积决定的，它显然应该与其截面积，也就是毛细管半径的平方成正比。当毛细管的半径减小时，浸润作用带来的升力和重力都会降低，但后者降低得更快。于是，当毛细管足够细时，浸润作用的力量可以轻松压倒重力，让管内液面升得很高（下图）。

如果一种液体能够浸润管壁，那么管径越小，管内的液面就越高。不过，管内液面并不会超过管的高度而溢出。否则的话那将形成永动机。

通过简单推论即可得出：对于给定的液体和固体，毛细管内液面上升的高度与管的半径成反比。仍然以水和玻璃为例，计算表明，如果玻璃管的半径为2 米，管内液面的上升只有肉眼难以察觉的7微米。但如果把管的半径减小到0.2毫米，管内液面可以比管外高出7 厘米！也就是说，在越小的地方，毛细现象越是显著，这一点非常重要。

不过，仅用毛细现象还不足以解决头发的谜题，我们还需要加入弹性的因素。

我们都知道，玻璃是具有很强刚性的固体，在外力作用下，即使碎裂也难以变形。然而像橡胶这样的固体则是另外一番面貌，它们遇到一点点外力就很容易发生明显的形状变化。这就是通常所说的弹性。

如果我们把观察毛细现象的玻璃管换成橡胶管，并且假定水仍然能够浸润管壁，接下来会发生什么呢？首先，管内的液体在浸润作用的帮助下克服重力，使得液面比管外高出一截。但水分子还不满意，希望能够与橡胶进一步亲密接触。根据之前的分析，只要管子的半径减小，液面就可以进一步升高。于是，水分子就和橡胶管商量：你不是有弹性吗？麻烦你“收收腰”，让管子再变细一些，这样我不就可以和你更加充分地接触了嘛。橡胶觉得有道理，就照办了。于是，橡胶管的管壁向内凹陷，而管内的液面则进一步升高（下图）。这种现象结合了毛细现象（也可用表面张力或表面能的概念等效替换）与弹性因素，因此被称为弹性毛细作用。

弹性毛细现象：随着时间的推移，可以观察到弹性毛细管内液面慢慢上升，同时，管的半径减小。

读到这里，聪明的读者可能已经领悟到，湿头发粘在一起正是弹性毛细作用的体现。头发也具有一定的弹性，因此，当水浸润相邻的若干根头发时，它会促使这些头发通过变形而彼此靠近。这种变形的幅度是如此之大，以至于最终头发之间只被非常薄的一层水膜隔开，看起来就像是聚在了一起（下图）。