连日来，新冠状病毒引发的肺炎疫情牵动着公众的心。看到一批批逆行的白衣天使，不畏生死地冲上去，内心里充满了敬佩和感动。由于不是医学出身，所以不能写相关的文章，但这里要与大家分享一些有关微观世界中的物理学知识，这些知识有助于我们更好地理解微观世界，也有助于我们更好地对抗疫情。
微观世界对于大多数人来说完全是一个陌生的世界，那里有一套运转规则。我们熟悉的一些力在微观世界依然有效，比如重力，但在微观世界里，发挥重要作用的是分子间作用力。主宰微观世界的规则能够解释宏观世界里很多事情，比如茶杯中的水渍为什么是一个圆圈、医用棉签为什么能提取咽部的病毒标本、为什么药物要做成纳米颗粒等等。
一、茶渍的形成原理
看上面那张茶盏中茶渍的图片，不知道大家想过没有，为什么干了之后的茶盏中，茶渍会形成一圈褐色的细线，而不是均匀地平铺在茶盏的底部呢？
如果我们能够在显微镜下观察残余的茶汤，你会看到水分子正在乐此不疲地玩碰碰车，庞大的茶叶颗粒夹杂在这些分子中间。这就是我在文章《布朗运动，无意中看到物质内部的混乱世界，打开原子科学的大门》中介绍的布朗运动。
水分子是极性分子，它们之间的引力很强，如果有某个分子向液面外凸出了一点，其它分子立即会把它拉回到大家庭里。
这意味着水形成的页面就像一张弹性的膜，下方的水一直在向下拉扯它，所以液面永远是光滑的。液面的这种弹性就是“表面张力”。在茶汁的边缘，液面光滑地向下弯曲，与杯底相交，维持着残余茶汤的位置和形状。
由于室内的温度很温暖，时不时有某个水分子离开液面，以蒸汽的形式进入到空气中。这个缓慢的过程叫做蒸发，蒸发出去的只有水分子，茶中的颗粒不会蒸发，继续留在残汁里。
随着越来越多的水分子蒸发到空气中，奇妙的事情发生了。茶汁残汤的边缘在茶盏底部是固定的，而且边缘处水分子的蒸发速度比其它位置快得多，因为这里的水分子接触空气的机会更多。（这里留一个思考题——为什么边缘的水分子接触空气的机会多？）
残汤中央的茶汁必须不断向外移动，去补充边缘处蒸发掉的水分。水分子裹挟着茶叶颗粒向外运动，等到水分蒸发以后，无法蒸发的茶叶颗粒就留了下来。
在这个过程中，所有的茶叶颗粒 都慢慢地被搬运到残汤的边缘，等到水分子完全蒸发，留下来的就是一圈褐色的轮廓。
二、小虫在空气中飞翔的原理
茶叶颗粒在水中的移动速度能有多快？我们就需要考虑水的黏性了。黏性是衡量两层流体之间的摩擦力。我们可以用勺子搅动一杯茶，随着勺子的搅动，勺子周围的茶汤会随着旋转，与茶杯里的其它液体产生相对运动和摩擦。
水的黏性不高，所以不同层的液体可以比较轻松地相对流动。如果把茶汤换成蜂蜜，蜂蜜分子之间更加紧密，要让它们发生相对运动，就必须打破分子之间的羁绊。所以搅动蜂蜜比搅动茶水困难很多。因此我们说，蜂蜜的黏性比较大。
如果我们仔细观察茶汤我们会发现，茶汤的底部总会有一些比较大的颗粒，而那些小的茶叶组分其实也不是“溶解”了，只是它们体积太小，我们用肉眼看不到而已。
非常小的茶叶颗粒克服了重力的作用，在浮力和黏性摩擦力的作用下，均匀地分布到整个茶汤中。而那些大的颗粒，浮力和黏性摩擦力不足以克服重力的作用，只能乖乖地留在茶杯底部。
所以，相同的力在不同层级上产生的效果完全不同。气体与液体一样都具有黏性。尽管气体分子的间距很大，但其分子之间同样在不停地相互碰撞。因此，蚂蚁和钢珠坠落的速度绝对不会完全相同，除非我们把它们坠落的环境抽成真空。
空气的黏性会大大降低蚂蚁坠落的速度，但不会对钢珠造成太大的影响。如果我们抽掉了空气，那么重力就成为了唯一的影响因素，对于蚂蚁和钢珠来说都一样。
体积比蚂蚁更小的小虫在空气中飞行运用的技巧和我们在水中游泳时一样。空气的黏性主宰着小虫周围的环境。那些微小的昆虫其实更像是在空气中游泳，而不是飞翔。
小虫在空气中飞翔的原理能运用到很多地方。打喷嚏的时候，可以想象一下我们喷出的液滴的尺寸有多大。如果尺寸很小，那么这些携带着病菌的液滴可能会一直漂浮在空气中，很难坠落下去。
三、戴口罩的意义
老郭留意到，1月30日中国工程院院士***教授在接受媒体采访时说，“新型冠状病毒感染的肺炎主要还是通过飞沫传染。”
由于我不是医疗专业的，虽然了解新冠病毒是如何通过粘膜入侵人体并自我复制的，这里我也不能写。我只能说一下新冠病毒通过飞沫传播的物理过程。
新冠病毒可以通过空气传播，感染者的每一次咳嗽都会从肺内喷出数千颗细小的液滴，这些液滴中包含着微小的新冠病毒，这些病毒的大小只有不到100纳米，不到1毫米的万分之一。
可能大家对这个尺度没有什么概念，我这里举个例子，假设一根头发的直径是0.1毫米，把它径向平均剖成10万根，每根的厚度大约就是一纳米。
刚刚喷出的液滴直径较大，可能有几毫米。这些液滴在重力的作用下向下坠落。落到地板上后，他们就不能移动了。但是，液滴坠落的过程非常缓慢，因为除了液体之外，空气也拥有黏性，物体在空气中移动时必须奋力向前推挤。
向下坠落的过程中，液滴不断遭到空气分子的碰撞和推挤，这就延缓了液滴下坠的速度。就如空气中坠落的蚂蚁，液滴同样受到空气黏性的阻挠。
但液滴并不一定下坠。液滴的主要成分是水，刚刚被喷出来的几秒钟，这些水会蒸发。液滴开始萎缩变小，它受到的重力也会随之减小，但难与空气黏性相抗衡。
如果说原来的液滴是一颗携带着新冠病毒的水珠，那么现在它就变成了新冠病毒与有机杂质的混合物。对于新形成的微粒来说，它受到的重力已经不足以抵消空气阻力，所以它会随风飘动。
就像是在空气中游泳的微小昆虫那样，新冠病毒随风漂流。如果它正好落在某个免疫能力比较弱的人身上，那么就可能繁殖出一个新的群体并逐渐发育壮大，直到新的病毒做好再次出发的准备。
这就是为什么疫情爆发后第一时间，政府和医务工作者会要求大家出门一定要戴好口罩的原因。因为与其等到感染了新冠病毒后再去治疗，何不从源头开始就切断它的传播途径？
四、咽拭子与毛细现象
新冠病毒能够通过呼吸道传播，咽部是此类病毒聚集较多的地方。咽拭子标本就是用医用的棉签，从人体的咽部蘸取少量分泌物，采取的样本就是咽拭子标本，为了检验疑似病例是否感染了新冠病毒，医生利用棉签，从疑似患者的咽部取得一些黏液标本。然后再拿去用试剂检验。
棉签能够蘸取黏液背后的原理就是表面张力的作用，水量越少，分子间引力就越不可忽视。在微观层面，水的表面张力可以用来抽水。这里不需要水泵、虹吸管和大量的能量。只要把东西做得足够小，就能让重力退居幕后，为表面张力留出大显身手的舞台。
医用棉签的材料是棉花，棉花可以吸水。在微观层面，水分子牢牢地吸附在棉花纤维上，沿着每根纤维的表面缓慢爬行。由于水分子之间的引力很强，所以第一个接触毛巾的水分子会把后面的一串水分子都拉上来。
水携带着咽部的其它成分，也包含各种病菌和病毒沿着棉花纤维迅速蔓延。水与棉花纤维之间的吸附力 非常强，重力无法与之抗衡。
棉签真正能吸收大量水的原因并不在于此，它非常蓬松。如果单纯依靠纤维接触水层，那么它就不会有这么强的吸水能力。但由于棉球是蓬松的，所以棉花纤维之间会形成大量气泡和狭窄的通道，水一旦进入这些通道就会被各个方向的纤维吸引。
由于通道很狭窄，所以每一滴水都会找到可以附着的表面。蓬松的特点拓展了棉签的表面积，所以棉签能吸收大量的水。
棉签在吸收了咽部的黏液以后，微小的水分子在蓬松的棉签中做热运动。咽部黏液中的水分子会抓住棉签中的水分子，跟着前进。已经进入到棉签中的水分子会拉住旁边的水分子努力保持自己的位置。刚接触到棉花纤维的水分子会不顾一切地吸附在纤维上，带着后面的水分子继续跟进，向上填充结构之间的空隙。
而还留在咽部的水分子会继续拉着下方的水分子，试图与其他水分子一起凝聚成球，向上攀爬。这就是毛细现象。
五、药品研发中的微观物理学
纳米技术是21世纪战略技术的制高点，是在纳米尺度对物质进行制备研究和工业化，利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性的技术体系。药剂学领域中纳米粒子的研究早于“纳米技术”概念的出现，70年代即已经对纳米脂质体、聚合物纳米囊和纳米球等多种纳米载体进行了研究。涉及的给药途径包括注射、口服和眼部给药等。
由于微观世界的规则使得纳米药物具备传统药物不具备的一些优势：纳米级药物载体可以进入毛细血管，在血液循环系统自由流动，还可穿过细胞，被组织与细胞以胞饮的方式吸收，提高生物利用率；纳米载体的比表面积高，水溶性差的药物在纳米载体中的溶解度相对增强，克服无法通过常规方法制剂的难题。
同时，纳米载体经特殊加工后可制成靶向定位系统，如磁性载药纳米微粒。可降低药物剂量减轻副作用；延长药物的体内半衰期，借由控制聚合物在体内的降解速度，能使半衰期短的药物维持一定水平，可改善疗效及降低副作用，减少患者服药次数；可消除特殊生物屏障对药物作用的限制，如血脑屏障、血眼屏障及细胞生物膜屏障等，纳米载体微粒可穿过这些屏障部位进行治疗。
结束语
正如我们前面介绍的那样，在微观世界里，表面张力、黏性和毛细现象占据了主导地位，重力和惯性退居幕后，虽然我们无法用肉眼看到这些微观过程，但是我们能够看到结果，这些微观现象也都是我们宏观世界中的一个部分。
我们当然可以利用这些微观世界的规则来改造宏观世界。这些规则也可以应用于医疗领域，帮助我们阻断病毒的传播，改进医院测试的设计，制造更容易吸收的药品，拯救无数条生命。返回搜狐，查看更多
责任编辑：