黏膠
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在英國北韋爾斯的海洋科學(xué)研究所中，一群科學(xué)家花了很多時(shí)間，觀察蒼蠅在墻壁上面，上上下下的走動(dòng)?？茖W(xué)家并不是閑得沒事干，事實(shí)上正好相反。他們想知道蒼蠅憑什么能對(duì)抗地心引力，在墻面上隨意行走。其實(shí)，在接合工藝學(xué)（zygology）上的任何創(chuàng)見，都有很重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。所謂接合工藝學(xué)是研究東西結(jié)合的科學(xué)。楔片、釘子、螺絲與焊接，都在我們?nèi)粘Ｉ罾锇缪葜匾慕巧俏覀冞€需要各種黏著劑，否則日子會(huì)很難過：飛機(jī)會(huì)從天上掉下來，家具會(huì)散開，瓷磚會(huì)從墻面剝落，書與鞋子都無法黏合，連我們的假牙也套不住。想象一下，沒有壁紙、郵票、膠帶或利貼，會(huì)變成什么世界！
任何黏性研究，都應(yīng)該從微觀機(jī)制著手。因此，海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)所的研究人員，首先把蒼蠅腳放大，仔細(xì)研究。蒼蠅有六只腳，每只腳上都有兩個(gè)小爪子，讓它可以鉤住任何凹凸不平的表面。但事情并沒有這么單純。蒼蠅還可以在玻璃板等光滑平面上，隨意走來走去，研究人員懷疑這里面藏有玄機(jī)，會(huì)不會(huì)是蒼蠅腳底有什么分泌物作怪？他們決定仔細(xì)檢查蒼蠅走過的玻璃表面，看看是不是留有什么東西。果然不出所料。
當(dāng)研究人員用染色劑蘇丹黑B（C29H24N6）處理蒼蠅走過的玻璃表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)玻璃上有油脂，使玻璃面出現(xiàn)細(xì)微的腳印。這些油脂會(huì)不會(huì)是一種膠？
為了測試這個(gè)想法，研究人員設(shè)計(jì)了細(xì)致精巧的實(shí)驗(yàn)。他們用強(qiáng)力膠在蒼蠅背上黏上一條細(xì)線，再裝上一個(gè)小儀器，測量要用多大的力道才能把蒼蠅從玻璃上拉開。其次，他們讓蒼蠅走上鋪了濾紙的木板，濾紙先浸過己烷（C6H14），己烷是可以溶解脂肪的溶劑。然后他們讓蒼蠅重新走過玻璃板，再用細(xì)線把它們拉起來。這次所需要的力量，只有之前的十分。
看起來，蒼蠅真的是用膠把腳黏在墻上。但這里頭有什么化學(xué)作用？黏性到底是怎么回事？口香糖會(huì)黏住頭發(fā)，而卻不會(huì)黏住鐵氟龍，又要如何解釋呢？為什么醋不會(huì)像糖水一樣黏黏的呢？
黏性是非常復(fù)雜的事，與好幾個(gè)因素有關(guān)。但基本原理是，兩個(gè)表面靠得非常近時(shí)，會(huì)互相粘黏，這是因?yàn)槿魏我粚?duì)原子或分子之間，都有吸引力。原子是由原子核與電子構(gòu)成的，原子核帶正電，幾乎整個(gè)原子的質(zhì)量都集中于此，電子帶負(fù)電荷，繞原子核外的軌道旋轉(zhuǎn)。在分子里，原子間結(jié)合形成化學(xué)鍵?；瘜W(xué)鍵形成的原因是電子受兩個(gè)原子核吸引，但電子并不是固定不動(dòng)的，不管在任何時(shí)間，分子與原子內(nèi)的電子會(huì)集中形成負(fù)電區(qū)，而原子核所在的地方會(huì)形成正電區(qū)。電荷這種暫時(shí)分開的現(xiàn)象，稱為偶極。
偶極的負(fù)電端，會(huì)受鄰近偶極的正電端吸引，這就是所謂的凡得瓦力。當(dāng)兩個(gè)表面非?？拷鼤r(shí)，這兩個(gè)表面的分子會(huì)受凡得瓦力互相吸引，產(chǎn)生黏著力。凡得瓦力非常小，但兩個(gè)表面有無數(shù)億對(duì)的偶極會(huì)互相吸引。如果真是這樣，為什么無法讓壞掉的椅子，靠在一起就自動(dòng)黏合呢？
老實(shí)說，理論上這是可行的；但事實(shí)上，我們卻不可能讓兩個(gè)表面的距離，近到使凡得瓦力得以發(fā)揮作用。不管一個(gè)表面看起來有多平、多光滑，從微觀的尺度來看，上面一定會(huì)有凸起與凹洞。因?yàn)榉驳猛吡χ辉跀?shù)埃的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，因此一個(gè)只有400埃（1埃等于10-8公尺）的高峰，就會(huì)使表面間的吸引力幾乎消失殆盡?，F(xiàn)在，如果其中一個(gè)表面是可以移動(dòng)的（例如液體），它的分子可以流進(jìn)另一個(gè)表面的凹洞，而且也把凸起包覆起來，使兩個(gè)表面的分子間距，近到可以感覺出彼此的偶極。
只要沾一點(diǎn)蜜在兩根手指之間，就知道我在說什么了。蜂蜜有足夠的移動(dòng)力，可以填滿兩個(gè)表面上所有的空隙，使表面與蜂蜜間的距離很接近，足以觸發(fā)凡得瓦力。但只有移動(dòng)力還不足以形成化學(xué)鍵。水也會(huì)流動(dòng)，也能形成凡得瓦力，但并不會(huì)黏黏的，這是為什么呢？這就要談到黏著劑的另一項(xiàng)條件了。好的黏著劑，不但能與兩個(gè)表面分別緊密連結(jié)，黏著劑分子之間也要能形成鍵結(jié)，當(dāng)兩個(gè)表面受外力分開時(shí)，黏著劑分子也還能緊密結(jié)合。
水可以與兩個(gè)表面分別緊密結(jié)合，但水分子之間的鍵結(jié)太弱，受到壓力很容易就分開。如果水結(jié)成冰，水分子間的鍵結(jié)力就非常強(qiáng)，因此兩塊濕木片只要經(jīng)過冰凍，就可以黏得牢牢的。
蜂蜜不像水，它里面有糖分子，不但彼此緊密結(jié)合，也能與其它的分子結(jié)合，因此蜂蜜會(huì)黏黏的，但是還沒有黏到可以做黏著劑的程度。良好的黏著劑，必須很容易流動(dòng)，能輕易覆蓋住想要接著的表面，與這些表面產(chǎn)生有效的凡得瓦鍵。接下來，它要能固化變硬，在本身的分子間形成緊密強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)，不輕易分開。就像前面水結(jié)冰的例子。
當(dāng)然，我們希望這些變化都在常溫發(fā)生。有一種用水與面粉調(diào)出的簡單黏膠，就是個(gè)好例子。這種面糊在濕濕的時(shí)候，很容易移動(dòng)，但干了之后，長鏈的淀粉分子會(huì)互相糾結(jié)，變得很難分開。蛋白質(zhì)分子也有類似的功能。馬蹄與馬皮可以萃取出明膠，因此從前常把退役的老馬，送去制膠工廠當(dāng)明膠的原料。今天，我們已經(jīng)很少用淀粉或明膠，多半使用合成膠，例如用簡稱PVA的聚乙烯醇（H[CH2CH(OH)]nH）。把PVA溶在水里，就是很受學(xué)生歡迎的白膠。它的流動(dòng)性好，但水分蒸發(fā)后，就會(huì)變硬。
還有一種更好的黏著劑，可以把東西牢牢黏起。這種黏著劑的分子很小，很容易流動(dòng)，可以覆蓋住整個(gè)要黏著的面積，之后經(jīng)過化學(xué)作用，分子間相連接成巨分子或聚合物。AB膠與瞬間膠就是以這種方式作用的。
AB膠含有兩種成分，會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生聚合物，而瞬間膠里面有一種小分子，叫做氰基丙烯酸酯（C8H11NO2），它接觸到空氣里的水氣時(shí)，會(huì)緊緊結(jié)合成類似聚合物的長鏈狀結(jié)構(gòu)，把兩個(gè)面緊緊黏住。瞬間膠的效果，其實(shí)與空氣里的水分有密切的關(guān)系。因此，如果有人問你，為什么瞬間膠在邁阿密的效果比在鳳凰城好，你就可以告訴他原因了。
顯然，對(duì)黏著劑的首要要求，就是能夠容易流動(dòng)，輕易覆蓋住要膠合的表面。但這問題其實(shí)相當(dāng)復(fù)雜，并不像表面上那么簡單。有人可能直覺認(rèn)為，這應(yīng)該只與黏著劑的黏性有關(guān)。其實(shí)不然。滴一滴油到長炳鐵鍋，再滴一滴油到不沾鍋里，比較它們的不同，你就會(huì)知道了。鐵鍋里的油會(huì)散開，但長柄鍋里的油會(huì)結(jié)在一起形成小油滴。這是黏著劑原子之間的結(jié)合力，及黏著劑原子與鍋?zhàn)颖砻嬖娱g的結(jié)合力，兩者差異的表現(xiàn)；這也代表這個(gè)表面的原子可以給其它物質(zhì)多少吸引力。
從鍋?zhàn)拥睦觼砜?，顯然鐵氟龍能給的吸引力非常小。鐵氟龍是長鏈碳原子化合物，每個(gè)碳原子上還接了兩個(gè)氟原子。氟由碳的結(jié)構(gòu)上伸出，代表分子對(duì)外的接觸點(diǎn)，也就是可能與別的東西的原子結(jié)合的位置。但氟一旦與碳連接后，就出了名死心塌地的安分，不再對(duì)任何對(duì)象有興趣。因此，蛋或其它的東西就沒有辦法黏在不沾鍋上。
但我們還沒把所有的故事合盤托出呢。計(jì)算顯示，即使接觸面全部由黏膠有效覆蓋，黏膠對(duì)表面的黏合力，還是大過凡得瓦力的總合，這是怎么回事呢？這里面其實(shí)還有另一個(gè)效應(yīng)存在。黏著劑覆蓋了表面、硬化之后，從微觀的尺度看，有許多小氣泡陷在表面的凹洞里。這些氣泡也有吸力，要拉開這兩個(gè)接合面，還必須破壞這些氣泡才行。由于我們有各種各樣的表面，所以市面上的黏膠，也有各種各樣不同的化學(xué)成分，以應(yīng)所需。不同的黏膠硬化后，強(qiáng)度也大不相同。沒有可以接合所有東西的萬用膠，如果真有這種東西，那我們要怎么拿下它的瓶蓋？
我們常會(huì)發(fā)現(xiàn)黏膠的新用途。例如，我們正開始試著不用手術(shù)線，改用瞬間膠縫合傷口；我們也開始用黏膠來黏合食道上的裂縫，以及由濕疹引起的指甲裂縫；腦外科手術(shù)也開始使用黏膠補(bǔ)強(qiáng)血管的弱點(diǎn)。
但就像其它的化學(xué)物質(zhì)一樣，黏膠也會(huì)有問題，只要問問那位誤把瞬間膠當(dāng)成鼻噴劑的人就行了。所幸鼻子里的黏液阻止瞬間膠黏住組織。醫(yī)生最后從他的鼻子里，弄出一塊硬膠來，這團(tuán)硬膠形狀就像鼻腔內(nèi)部的模型。還有個(gè)粗心的母親把瞬間膠當(dāng)眼藥膏，抹進(jìn)嬰兒眼睛里。醫(yī)生只好把嬰兒全身麻醉，再動(dòng)手術(shù)切開眼皮。還有破壞者在一間愛爾蘭酒吧的馬桶座涂了瞬間膠，不知情的顧客一屁股坐上去，就下不來了。（這類的傳聞逸事，是很難認(rèn)真追查的。）在經(jīng)人發(fā)現(xiàn)送醫(yī)之前，他有好長一段時(shí)間可以仔細(xì)觀察蒼蠅怎么在墻面上行走。當(dāng)然在送醫(yī)過程，他的屁股還是黏在馬桶座上。醫(yī)生用丙酮（C3H6O）溶解瞬間膠，才把他從膠著的困境中救了出來。
除了丙酮，還有其它物質(zhì)也可以溶解瞬間膠。乙腈（CH3CN）也有這種本事，而且在卸假指甲時(shí)特別特別有效。如果使用得當(dāng)，它們算很安全，但如果吃進(jìn)肚子里，就很難說了。乙腈在體內(nèi)新陳代謝后，會(huì)釋放出氰化物（CN）。曾發(fā)生可怕的乙腈中毒意外，一個(gè)16個(gè)月大的嬰兒居然吞食了十五到三十毫升的乙腈溶劑。母親立刻把嬰兒送到毒物管制中心，但母親與毒物管制中心的人沒溝通好，產(chǎn)生了一點(diǎn)誤會(huì)。中心的人誤以為小孩子吃到的是去光水或丙酮，這模擬較不危險(xiǎn)的化學(xué)藥劑，因此并未采取特殊的急救措施。第二天上午，嬰兒就死了。又是一個(gè)乙?毒物的犧牲者。
黏膠的本身也牽涉到一些健康問題。記不記得1995年轟動(dòng)一時(shí)的電視連續(xù)劇「歡樂單身派對(duì)」（Seinfeld）的最后情節(jié)？杰瑞的朋友喬治幾乎要結(jié)婚了，喬治與未婚妻蘇珊忙著寄結(jié)婚請(qǐng)?zhí)髞韰s遲遲沒有進(jìn)行婚禮（這大概讓喬治松了一口氣）。因?yàn)樘K珊中毒了，而這全是喬治的錯(cuò)。這個(gè)小氣鬼買的信封是最便宜的，蘇珊用舌頭舔濕信封的封口膠，導(dǎo)致中毒。劇中暗示如果喬治不那么小氣，這種事是可以避免的。因?yàn)檩^貴的信封，封口的黏膠質(zhì)量較好，毒性較低。這段劇情有可能是真實(shí)故事的翻版嗎？絕不可能。
我們的法令對(duì)信封上的封口膠，有非常嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楹芸赡苡腥藭?huì)把它吞下肚，所以規(guī)定這種黏膠要達(dá)到食物的安全標(biāo)準(zhǔn)。這類黏膠的種類很多：水溶性的阿拉伯膠來自洋槐樹，糊精則是玉米淀粉做的，至于最適用的，則是聚乙烯醇。我們也試過別的東西，來加強(qiáng)黏膠的彈性與涂布質(zhì)量，如：甘油、玉米糖漿、醇類、尿素、硅化鈉、與乳狀的蠟。我們還試用過一些防腐劑，像：安息香酸鈉（C6H5CO2Na）、四基氨水化合物以及酚類物質(zhì)。這些東西當(dāng)然不可能好吃，但至少是無毒的。事實(shí)上，蟑螂只要有封口膠可以吃，就能夠存活很久。
如果對(duì)黏膠還有任何疑慮的話，可能是它會(huì)引起某些過敏反應(yīng)。有少數(shù)人會(huì)對(duì)地毯背膠、家具上光膠甚至假指甲里的黏膠過敏。對(duì)黏膠過敏的事件，我有一件很好玩的例子，而且我與當(dāng)事人相當(dāng)熟。我有個(gè)朋友多年來一直過敏，流眼淚、流鼻水、呼吸急促。起先醫(yī)生以為是花粉引起的，因此當(dāng)她過敏的情況愈來愈嚴(yán)重時(shí)，就為她做一系列的過敏原測試。但奇怪的是，她對(duì)這些一般性的過敏原都沒有反應(yīng)。有一天，她正好又為過敏所苦惱，碰到一位舊識(shí)，就對(duì)老友訴苦。這位老朋友想了想，忽然問她是不是戴假指甲？因?yàn)榘l(fā)問的這位老朋友，以前也遭受到同樣的困擾，但自從拿下要用黏膠粘黏的假指甲后，過敏癥狀就不藥而愈了。我朋友一聽，立刻趕回家，取下假指甲。你也知道發(fā)生什么事了吧？第二天起，她的過敏就一去不返了。
我正好在此時(shí)介入此事，就建議我朋友做個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，證實(shí)自己的假設(shè)。她本身是藥劑師，知道如何進(jìn)行科學(xué)調(diào)查。她戴上假指甲就過敏，拿下來就沒事。后來她的醫(yī)生測試她對(duì)指甲黏膠，氰基丙烯酸酯的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)果然是陽性的。從此，每次她的醫(yī)師碰到新病人，不管是男是女，總是會(huì)問對(duì)方，有沒有戴假指甲。當(dāng)我在廣播節(jié)目里談到這個(gè)奇怪的故事時(shí)，得到另外一位女士熱烈的回響。她還提供了另一則有趣的故事。這位女士裝了假牙，卻對(duì)假牙用的丙烯酸酯類黏膠過敏。之后，她每次經(jīng)過修指甲的美容院，都會(huì)有過敏反應(yīng)。我無法證實(shí)她說的情節(jié)，但在奇異的過敏世界里，什么怪事都可能發(fā)生。
關(guān)于黏膠，還有個(gè)故事值得一說，就是美國3M公司首席科學(xué)家席爾巴（Spencer F. Silver）的故事。雖然他不是家喻戶曉的人物，但他發(fā)明的利貼（Post-It）卻幾乎是人人皆知。1998年，美國化學(xué)學(xué)會(huì)特別因?yàn)樗l(fā)明利貼而頒獎(jiǎng)給他。他發(fā)明的這種特殊黏膠，要它黏就黏，要撕下來就撕下來。而這種東西的背后，有一段很奇妙的故事。
1968年，席爾巴博士為3M公司研究出一種對(duì)壓力很敏感的黏著劑，這種東西可以立刻黏著在表面上，但是當(dāng)你想把它拿下來時(shí)，卻又不會(huì)傷到它原先附著的表面。今天，這種產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)普遍，到處都有可隨時(shí)去除的黏著劑。但在1968年，沒有人知道有這種東西?？茖W(xué)家確實(shí)知道，有些聚合物在某種條件下，是可以剝除的，譬如天然橡膠，但它們的特性都很不理想。于是席爾巴開始著手研究，他做出一些合成聚合物，最后得到一種黏著力不強(qiáng)但很容易撕開的東西。但它有個(gè)缺點(diǎn)：不是每次都能撕得干干凈凈的。后來連席爾巴自己也對(duì)這東西喪失興趣了。
幸好，在1970年代早期進(jìn)入3M公司的化學(xué)工程師富萊（Arthur Fry）對(duì)這東西感興趣。更巧的是，富萊參加教會(huì)的唱詩班，需要可以貼在樂譜上的小紙條，在特定的幾頁做記號(hào)。正好，他記得席爾巴發(fā)明過一種不太黏的黏膠，于是他用這種黏膠，涂在紙條的背面，用來標(biāo)示樂譜，這樣子紙條既不會(huì)掉且容易撕下也不留痕跡。這就是利貼的雛型。
后來富萊又花了一年半改善它的缺點(diǎn)。他發(fā)展出一種初級(jí)膠，用來把黏著劑黏在紙上，讓黏著劑不會(huì)黏到便條紙要貼上的物質(zhì)表面。然后他發(fā)展出制造這種便條紙的機(jī)器。但利貼并不是一上市就造成轟動(dòng)，它是靠巧妙的銷售策略來推動(dòng)的。3M公司在美國愛達(dá)荷州的波夕市分送免費(fèi)贈(zèng)品給上班族，用過的人有九成在贈(zèng)品用完后，會(huì)掏腰包再買來用。今天的利貼，采用了非常復(fù)雜的技術(shù)，已經(jīng)真的可以一再重復(fù)使用。它的黏性來自尿素甲醛樹脂的微小顆粒。在壓力之下，這些小顆粒會(huì)破裂，但不會(huì)同時(shí)全部破裂。一張利貼便條，可以重復(fù)使用多少次呢？我不知道。應(yīng)該做個(gè)實(shí)驗(yàn)來試試。我會(huì)寫張便條，提醒自己這件事，當(dāng)然是寫在利貼上啦。
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