前言

任何喜歡修理和制造東西的人或許都在互聯網上見過這么一張流程圖：頂部寫著“它動了嗎？”底部則提供了兩種解決方案：“如果一個不該動的東西動了該怎么辦？用膠帶固定住就好了。那如果一個應該動的東西突然不動了，該怎么辦？用WD-40?[1]（見圖1）?！遍L久以來，這兩款產品一直被視為工具間的必備品，用途廣泛，使用頻率極高。毫無疑問，我也是它們的愛好者之一。

幾年前，剛萌生寫這本書的念頭時，我對這兩款產品有了一些感悟。由于它們一個牢牢地粘在物體表面，另一個用于潤滑物體，所以在人們的印象里，它倆好似是對立的，分別占據著黏性和滑性尺度的兩端。但實際上，不管是在我們的日常生活中，還是在精確受控的實驗室環境中，都不存在這樣的尺度。因為“黏”和“滑”這兩個詞本身就模棱兩可，并沒有精確到彼此對立的程度。盡管這兩個詞被廣泛使用，但對身處不同時空的人而言，它們的含義大不相同。例如，有時它們可能讓人聯想到口香糖、膠帶和糖漿，但有時又可能讓人聯想到結冰的道路、WD-40和濕瓷磚。另外，“黏”和“滑”這兩個詞也不是真正的材料特性，就像硬度和導熱性一樣。它們沒有公認的科學定義，也沒有可以用來量化或比較的具體指標。這些詞在日常生活中隨處可見，但在科學文獻中很少出現，這種反差正是我決定將本書命名為Sticky的原因之一。[2]

我想重新定位這個為人所熟知的詞語，并將之應用于大量有趣的互動上：尤其是那些發生在物體表面之上和物體表面之間的、古怪而奇妙的事情。許多科學現象都發生在兩個物體相互接觸之時，比如空氣流經曲面、兩塊金屬制品滑過彼此，或將膠水涂在木板上。黏性雖不是可以被測量或定義的特性，但其他許多與之相關的特性是可以測量的，并且這些特性受到了整個科學界的關注。

摩擦學[3]便是其中之一。該學科有時被描述為“搓搓洗洗”的科學，其重點是研究運動中的物體表面如何相互作用。乍一聽這似乎有點小眾，但我們會發現，這類相互作用就存在于我們身邊，比如它們決定了冰川在巖石地貌上的運動和你電腦硬盤驅動器的呼呼聲。不管致力于哪個領域，所有摩擦學學者最關心的都是摩擦，也就是平行于表面的阻力，它可以將靜止的物體固定在原地（靜摩擦），也可以減緩移動物體的運動（動摩擦）。

通過測量材料之間的摩擦力，并將其納入幾十年來不斷發展和更新的數學模型，摩擦學家可以對物體表面獲得深入而復雜的了解。這樣一來，他們就可以找到控制摩擦的方法。每個有連接部件的系統，無論是工程學層面還是生物學層面，在設計時都考慮到了摩擦。比如在有些情況下，設計的目標是最大限度地增大摩擦，以便在極端條件下保持部件之間的抓持力或牽引力，但在另一些情況下，摩擦就成了敵人，使事物無從運作。無論是哪種情況，我們都不能忽視它。也因此，本書將摩擦作為貫穿每個章節的主線與核心。

從很多方面來講，摩擦學都不是一門新科學。人類對物體表面相互作用的探索和操縱已有千年之久，而我們在很晚的時候才掌握了描述它們所需的方程和工具。關于這一點，有一個著名的例子可以在杰胡霍特普（Djehutihotep）的墓葬中找到，此人是4000年前上埃及一位有權勢的地方長官。他那裝飾華麗的墓室墻壁上繪有一幅如今被稱為《運輸巨像》（Transport of the Colossus）的壁畫（見圖2）。在這幅壁畫中，一尊巨大的人物雕像被放置在木橇上，由一隊搬運工人拖著。畫中有一個人站在雕像的腳邊，正將一瓶不明液體倒入木橇前方。最初人們將這一細節解讀為一種純粹的儀式行為，但后來看到這幅壁畫的一些工程師懷疑，這里傾倒的液體很可能是早期的一種潤滑劑，可以讓沉重的木橇在沙地上更容易滑動。

2014年，一個由丹尼爾·博恩（Daniel Bonn）教授領導的團隊開始嘗試解答這個問題。實驗設計非常簡單：他們給一個小木橇裝載上重物，然后沿著混合有不同水量的沙地樣本拉動它，并測量其所需的力。他們最感興趣的度量是摩擦系數“μ”（讀作“miu”）。這一比率在摩擦學研究和一般的工程與科學領域經常出現，因為它可以告訴我們兩個材料表面之間相互作用的強度。[4]μ值越接近0，則越容易在物體表面滑動。因此，冰與鋼鐵之間的μ值要略低于冰與木材（它們的μ值分別為0.03和0.05），而干瀝青與橡膠之間的摩擦作用比前者高出18～30倍（μ=0.9）。這部分解釋了為什么輪胎能幫助車輛待在道路上，我們將在第5章詳細介紹這一點。通過測量木橇在越來越濕的沙地上被拉動時摩擦系數的變化，博恩可以直接評估加水對沙子“滑溜程度”的影響。

所有干沙樣本的摩擦力都很大，它們的μ值一般為0.55。博恩將此歸因于“在木橇真正開始移動之前就已在其前方形成的沙堆”。隨著博恩不斷往里加水，沙堆變得越來越小，μ值也隨之降低。在某些情況下，僅僅通過加水，木橇和沙子之間的摩擦就可以減少40%。而一旦沙子的含水量超過5%，摩擦增大，更難拉動木撬。研究人員得出結論，在沙漠里運輸物品時，存在一個最有利于物體滑動的含水量。這背后的機制對任何一個曾經用沙子填滿并翻轉水桶來制作沙堡的人來說都不陌生。如果里面的沙子是干的，沙堡就會自由流動并散開。相比之下，濕沙則可以保持其形狀，這要歸功于沙粒間形成的水橋。如果你混合得恰到好處，水就會把材料黏合在一起，提供一個光滑、堅硬的表面，供重物在上面滑動。2014年，博恩在接受《華盛頓郵報》采訪時說：“如果這種潤滑機制被用于運送巨型雕塑，這將意味著‘埃及人只需要干沙狀態下一半的人力就能在濕沙上拉動……埃及人可能知道這個小妙招’?！?/p>

在潤滑的世界里，水不再是主角。今天市面上有成千上萬種潤滑劑，其中大多以礦物油（石油）為基礎。它們的用途都是減少運動物體表面之間的摩擦。無論是廉價的割草機，還是高科技的火星車，都會用到潤滑劑。這些可以減少摩擦的化合物在全球有著巨大的市場，到2020年其經濟價值已超過1500億美元。我們會在第9章談論一些最新的固體潤滑劑。此外，我們仍可以從山體滑坡等地質過程，以及第6章和第7章中提及的地震和冰中看到水的潤滑作用。但更多時候，水和許多流體一樣會對表面施加摩擦力。水會拖住在其中移動的物體，使它們的速度變慢。我們可以通過流體動力學——關于運動中的液體和氣體的科學來理解這種影響廣泛的阻力。在第4章中，我們會發現每只球和每架飛機的飛行都受到了其周圍空氣的影響。如果你恰好喜歡游泳，那么第3章將為你揭示如何才能劈水而行，你將見識到一些通過將水從表面推開來減少其影響的水下技術。

然而，由于種種原因，有很多東西沒有寫進這本書。例如，我原本計劃撰寫一個章節來介紹表面科學的醫學應用，內容包括憑借特制粒子實現的定向藥物輸送和促進細胞黏附與生長的植入物。鑒于在我寫這些文字的時候（2021年1月），新冠病毒還在以一種可以通過空氣和物體表面傳播的形式影響著地球上每個人的生活。但考慮到實際情況，對于這樣一個龐大主題，我已經沒有多余的時間來寫它，這一遺漏令人遺憾。其他章節的重點也都有些許調整。第2章原本要探討的是動物利用表面科學來導航和控制周圍環境的眾多方法，蜘蛛、海膽和鯊魚都在候選名單上，結果這一章現在只聚焦于一種動物——壁虎。在研究這種爬行綱蜥蜴目動物的過程中，我被它迷住了：這種動物的攀爬能力背后隱藏的機制令人震撼，許多技術的誕生都受其啟發。本書還列舉了自然界中的其他例子。在第8章中，我將從物理學家的視角來審視我們的觸覺，以及它在人類社會中所發揮的作用。最后（或者也可以說“首先”），第1章是對所有黏性事物的介紹，包括對一些我經常被問到的滑溜產品工作原理的描述。

從本質上講，這是一本關于各種材料及其表面受力情況的書。自2007年以來，我一直對這個話題很感興趣。當時我參與了這樣一個項目：研究如何利用帶有圖案的表面來控制摩擦和流體流動，并以此為基礎開展了包括防水材料在內的一系列研究。后來，當我寫《科學與城市》（Science and the City）一書時，此類關于物體表面相互作用的話題時常閃現在我的腦海中，從鐵軌上樹葉的滑性到輪胎對道路的抓力。與我們對摩擦的了解和關注相比，它對現代世界的重要性簡直大到不可思議。也就是在那時，我有了撰寫此書的想法。當我開始從“物體的表面”看問題時，我就停不下來了，最終的成果就是這本書。

我并不打算在這本書中事無巨細地探索物體表面的相互作用，也不想把它寫成一本物理學教科書、一本關于摩擦的數學專著，或者是一個對市場上最好膠水的深入調查報告。如果你需要那種知識，我很樂意為你推薦其他參考資料。[5]在本書中，你將會看到我最喜歡的一些例證，它們可以說明作用在材料表面的力如何塑造了我們身邊的世界。由于這些力的影響跨越了各個科學領域，所以我們的旅程中可能會出現一些意外的轉折。我認為（也希望）所有人都能在這本書中找到自己想要的東西。

在研究這些課題的過程中，我有幸與來自科學界和社會其他各界的許多杰出人士交流。他們都是各自領域的專家，慷慨地抽出時間與我交談，并分享他們的知識。我對他們的感激之情難以言表，我非常樂意為你介紹他們每個人。

那么，接下來何不換上舒適的衣服，燒壺熱水，泡杯茶，聽我講講這些故事。