能量

我們還要討論另一件事——它可謂表面科學(xué)房間里的一頭巨象，那就是表面能的概念。這是對固體材料表面過剩能量的度量。這種能量是由于外層原子與內(nèi)部原子的鍵不平衡造成的。這是一個真實的、可測量的屬性，它的值可以讓你了解一個材料表面對其他分子有多大的吸引力。觀察表面能（有時也稱為潤濕性）的一種方法是，觀察液體如何與該物體表面相互作用。你可能憑直覺就知道，一滴水在一塊木板、一口不粘鍋、一片蠟質(zhì)的葉子和一塊紙板上表現(xiàn)得非常不同。在其中一些表面上，水滴會立即散開，而在另一些表面上，水滴會聚集成球狀。通過測量液滴邊緣與表面形成的夾角（被稱為接觸角，用希臘字母θ表示），你可以計算出表面能的值。如果你使用的液體是水，這種測量也可以告訴你表面是疏水性的還是親水性的。

這些定義建立在一個游移的尺度上，它們之間的界限是模糊的，但一般來說，水接觸角在0°～90°的表面被認(rèn)為是親水性的。這些材料對液體分子有強(qiáng)烈的吸引力，這意味著它們的表面能很高——它們很容易濕潤。如果你測量的接觸角在90°～180°，你得到的則是低表面能材料。當(dāng)水滴落在這些表面時，它在很大程度上被“忽視”了。該水滴傾向于保持其形狀而不是散開，這意味著該表面是疏水性的（見圖4）。我們很快會再次討論這些問題。

使用涂料時，你希望這些液體能夠擴(kuò)散，因為從理論上講，它會同時利用多種黏附方式。容易潤濕的表面在噴涂時不必有太大壓力，由此可見，了解表面的潤濕性非常有用。額外的好處是這些測量也可以讓你了解到表面的清潔度，因為污染的存在會改變接觸角，使其變大或變小，這取決于污染的類型——這是當(dāng)我們追求良好黏附力時需要考慮的另一個因素。表面能通常也與摩擦系數(shù)μ相關(guān)（我們在引言中已經(jīng)提過這個概念）。雖說這并非絕對，但如果一種材料的表面能很低（如果它對液體來說很滑），它通常也是低摩擦的（對固體來說也很滑）。

關(guān)于表面能的討論，最激烈的部分是它在黏合接合處的重要性——兩個物體被一種液體黏合在一起。如果你看一下世界上主要黏合劑制造商的網(wǎng)站，用不了多久，你就能找到他們對表面能的描述。該屬性通常以每厘米的達(dá)因數(shù)來衡量，用于將材料分組。金屬有著非常高的表面能（例如，銅是1103達(dá)因/厘米），所以它們很容易被弄濕，而像木材這樣傳統(tǒng)材料的數(shù)值也相對較高，范圍在幾十到幾百達(dá)因/厘米之間。PVC和尼龍這類工程塑料的數(shù)值較低，范圍在30～50達(dá)因/厘米之間。在大多數(shù)網(wǎng)站上，附帶的文字都會解釋說，數(shù)值越低，材料就越難黏合。

當(dāng)我訪問莫妮克·帕斯勒在波士膠公司的實驗室時，她向我展示了一個巨大的矩陣，那是用來幫助用戶為各種表面選擇合適黏合劑的。對她和她的同事來說，潤濕至關(guān)重要。“當(dāng)我在看一個新產(chǎn)品，或者一個有了新用途的舊產(chǎn)品時，我想獲得盡可能小的接觸角，以便表面完全濕潤。如果表面不濕潤，就不會有黏附力。道理就是這么簡單。”

阿博特教授對此的看法完全不同。他認(rèn)為，雖然黏附的原理在很久以前就被研究出來了，但對它的整體認(rèn)識是不足的——哪怕是制造這些化合物的公司。“表面能對涂料來說無疑是有用的，但對于實際的黏合系統(tǒng)，也就是我們真正把東西粘在一起的應(yīng)用場合，它基本上無關(guān)緊要，因為它比我們所需的強(qiáng)度小了幾千倍。然而，人們對它很著迷。”

在他的油管（YouTube）主頁上，阿博特上傳了一系列主要針對業(yè)界的視頻。其中一則短片演示了基于表面能黏附力的局限性。在這則短視頻中，我們可以看到阿博特和另一個人用拔河的方式，試圖把兩片超級光滑、超級干凈的橡膠板拉開。它們之間沒有黏合劑，完全靠表面能連在一起。視頻中的人拼盡了全力，但橡膠板還是紋絲不動，令人詫異。然而，一個年輕女孩（名叫安娜）輕而易舉地就把它們分開了。“當(dāng)它是一個純粹的垂直拉力時，表面能產(chǎn)生的力是巨大的，但在現(xiàn)實世界中，你不能依賴這種力量，”阿博特解釋說，“當(dāng)安娜把橡膠板分開時，她實際上是在接合面創(chuàng)造了一個裂隙。表面能對這種力幾乎沒有抵抗力，所以黏附力立刻就會喪失。”

在阿博特看來，對可靠的黏附力來說，吸收和消解開裂能量的能力是最重要也是最容易被忽視的因素。“人們認(rèn)為強(qiáng)度和彈性是相互對立的，于是他們在黏合劑中加入越來越多的交聯(lián)來提高其強(qiáng)度。但在幾乎所有的情況下，這會使黏合劑變得更糟，因為它無法移動和拉伸了。”在絕大多數(shù)情況下，一定程度的靈活性賦予了黏合劑彈性，這是一種應(yīng)對各種壓力和張力的手段。或者就像肯德爾曾說的：“柔軟的材料黏性最好。”如果沒有這種吸收能量的能力，黏合劑很可能會失效——無論它在傳統(tǒng)意義上有多“牢固”。

在我與阿博特的談話即將結(jié)束時，我問他，為什么他認(rèn)為表面能在黏合劑的世界里仍然被供在神壇。他嘆了口氣，說：

有時候，我認(rèn)為這只是因為你可以測量它。這是一個實實在在的數(shù)字，這通常會讓人們覺得一切盡在掌控之中，而且他們也明白發(fā)生了什么事。其中也有商業(yè)動機(jī)。一個從事表面處理工作的同事曾告訴我，他的客戶只對他賣給他們的東西的達(dá)因值感興趣，盡管他試圖解釋，黏合的學(xué)問遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止表面能。

鑒于這些因素，如何判斷我們是否擁有一款優(yōu)秀的黏合劑。嗯，“優(yōu)秀”是一個相對術(shù)語。水也許能把杯墊粘在杯子底部，但你不會想用它來支撐盤子。如果黏性膠帶能夠立即產(chǎn)生永久性的黏合力，那么包裝生日禮物將成為一項高風(fēng)險的活動。選擇黏合劑時，我們主要是尋找一種能夠抵抗在其使用壽命期間作用于它的力的材料。這些力到底是什么樣子，將根據(jù)我們的具體需求而有所變化。重要的是，沒有辦法將黏合劑的行為與它所黏附的表面行為區(qū)分開來，因為正如阿博特常說的：“黏附力是系統(tǒng)的一種屬性。”這意味著在現(xiàn)實中，一切都是相互依賴的。這就是為什么沒有簡單、客觀的黏性衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒有一個數(shù)字可以概括你需要了解一款產(chǎn)品的所有信息。對于商業(yè)黏合劑，我們最多只能設(shè)計測試，讓產(chǎn)品在測試中表現(xiàn)出在現(xiàn)實世界中的使用情況。

市場上有很多黏合劑產(chǎn)品、大量的測量標(biāo)準(zhǔn)以及公認(rèn)的檢測設(shè)置，用于揭示它們的性能。因此，與其（徒勞地）試圖介紹所有的產(chǎn)品，不如挑選出我認(rèn)為大家都熟悉的兩款產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

既然是在寫一本名為Sticky的書，我真的不能不提3M公司的“報事貼”（Post-It?）便箋，尤其是因為當(dāng)我打字的時候，周圍貼滿了它們，每一張上面都寫滿了對后面章節(jié)的構(gòu)思。[15]這些背面帶有一個小小條形黏性區(qū)域的彩色紙片是辦公的“利器”，最初由3M公司申請專利，并于1980年首次推向市場。鑒于報事貼現(xiàn)在已經(jīng)是司空見慣之物，人們很容易忘記它們的開發(fā)投入了多少心血。這個故事是設(shè)計界的傳奇，涉及兩位科學(xué)家——斯賓塞·西爾弗（Spencer Silver）和亞瑟·弗里（Arthur Fry）。早在20世紀(jì)60年代末，西爾弗就一直在為航空航天行業(yè)研究超強(qiáng)黏合劑，但實驗室里的一次錯誤使他意外有了一個新發(fā)現(xiàn)——后來他為此申請了專利——一種由懸浮在溶劑中的微小丙烯酸酯球體（每個球體的直徑介于5～150微米之間）組成的、可噴涂的、輕度黏性的黏合劑。這些球體對壓力敏感，但有彈性，正如西爾弗在專利申請中所寫：“直接對其中一個聚合物球體施加力會導(dǎo)致其變形。然而，在釋放壓力后，球體又會恢復(fù)原狀。”接著，他討論了這種材料如何應(yīng)用于不同表面，將其描述為“一種微濕的黏合劑層，可以很容易地黏合紙張，但也允許紙張被移除、換個位置或重新黏合”。幾年后，這種幾乎沒有黏性的黏合劑才找到商業(yè)用途。弗里是西爾弗的同事，也是其教堂唱詩班的熱心成員，他對自己精心擺置的書簽經(jīng)常從圣歌書中掉出來感到沮喪。在尋找一種可以粘在書頁上，但又能輕易取下的東西時，他想到了西爾弗的發(fā)明。于是兩人開始合作，并逐步組建了一個團(tuán)隊。

他們早期必須解決的一個問題是，每次將原黏性便箋從表面移開時，它都會留下一些聚合物球體，并因此損失黏性。要想讓便箋真正可以重復(fù)使用，他們需要找到一種方法來保持便箋紙上的黏合劑。他們的解決方案實際上是用膠水黏合膠水——一種黏合劑化合物，在黏合劑球體之前涂于便箋上，從而將球體固定在紙上。在他們的“丙烯酸酯微球表面材料”專利中，研究人員沒有說他們具體使用了什么黏合劑，以及它的工作機(jī)制（提到了“真空效應(yīng)”，但僅此而已）。他們將這些球體描述為“部分嵌入并從黏合劑中鼓出”。其結(jié)果是出現(xiàn)了一條嵌滿微小球體的壓敏膠膜，可以牢牢地粘在便箋上，但又能以非常小的黏附力將便箋固定在表面上。接下來，他們必須設(shè)計出能夠大規(guī)模生產(chǎn)黏性便箋的機(jī)器。“這不僅僅是在紙上涂抹一點膠水那么簡單。”《化學(xué)工程師》（The Chemical Engineer）雜志曾如是引用弗里的話。據(jù)了解，這套設(shè)備的早期原型是在弗里的地下室制作完成的，它使用滾筒涂抹黏合劑，然后再涂抹黏性球體。即使在解決了所有設(shè)計挑戰(zhàn)之后，該團(tuán)隊仍然需要說服3M公司管理層，讓他們相信這種便箋有商業(yè)價值——這就是另一個故事了。冠以“報事貼”的商標(biāo)在全球推出后，弗里和西爾弗的發(fā)明立刻大受歡迎，并激勵其他制造商創(chuàng)造了他們自己的版本。2019年，全球便箋紙的市場估價超過20億美元。

我想著重介紹的另一個黏性超級明星是超級膠水。你可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)，它并不是一個商標(biāo)。[16]大多數(shù)黏合劑品牌都有銷售一款名為“超級膠水”的產(chǎn)品，其實它們都基于一種叫作氰基丙烯酸酯的聚合物。這種物質(zhì)以幾乎能夠黏附在任何表面上而聞名，盡管后來將其作為黏合劑的用途申請了專利的人一開始并沒有把這視為一種積極因素。在第二次世界大戰(zhàn)期間，伊士曼柯達(dá)公司的化學(xué)家哈里·庫弗（Harry Coover）負(fù)責(zé)生產(chǎn)供軍隊使用的透明瞄準(zhǔn)器。在實驗不同的聚合物時，他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種特別黏的配方，它可以黏住并永久地破壞它接觸的一切。是的，很有趣，但由于這不是他們所需要的，所以庫弗就將其擱置了。直到6年后，在研究用于噴氣式飛機(jī)的黏合劑時，他才重新審視了氰基丙烯酸酯。1956年，他獲得了這種物質(zhì)的專利。[17]

在瓶子或管子里，氰基丙烯酸酯黏合劑是液體，流動和表現(xiàn)也是如此。但是，任何曾經(jīng)不小心把手指粘在一起的人都會告訴你，一旦離開了容器，它們很快就會變成固體。與普遍的看法相反，啟動這種固化反應(yīng)的不是空氣中的氧氣，而是水蒸氣。一旦超級膠水接觸到水，水分子就會與氰基丙烯酸酯結(jié)合，形成相互連接的長鏈，從而變硬。在我們這個燦爛而潮濕的星球上，大多數(shù)表面都被一層超薄的水永久覆蓋著，這使氰基丙烯酸酯成為一個非常有用、非常通用的黏合劑選擇。這也意味著通過呼吸產(chǎn)生自己水層的皮膚，特別容易受到其快速形成的鍵的影響。這一認(rèn)識后來使氰基丙烯酸酯化合物有了取代傳統(tǒng)的縫合傷口用途，這方面產(chǎn)品常見的有皮膚黏合劑（Dermabond）和舒易涂（SurgiSeal）。作為一個小時候沒有危險辨別能力和自我保護(hù)意識的人，我可以證明它們的有效性。

黏附性無疑是復(fù)雜的，但人類對它的理解使我們從中獲得了一些深刻的、技術(shù)上極為復(fù)雜的發(fā)現(xiàn)，從保存千年的繪畫杰作，到滿足各種可能需求的膠水。但一個也許不太明顯的事實是，將物體粘在表面的機(jī)制也可以用來阻止它們被粘住，而且不出意外，大自然首先做到了這一點。