能量

我们还要讨论另一件事——它可谓表面科学房间里的一头巨象，那就是 表面能 的概念。这是对固体材料表面过剩能量的度量。这种能量是由于外层原子与内部原子的键不平衡造成的。这是一个真实的、可测量的属性，它的值可以让你了解一个材料表面对其他分子有多大的吸引力。观察表面能（有时也称为润湿性）的一种方法是，观察液体如何与该物体表面相互作用。你可能凭直觉就知道，一滴水在一块木板、一口不粘锅、一片蜡质的叶子和一块纸板上表现得非常不同。在其中一些表面上，水滴会立即散开，而在另一些表面上，水滴会聚集成球状。通过测量液滴边缘与表面形成的夹角（被称为接触角，用希腊字母θ表示），你可以计算出表面能的值。如果你使用的液体是水，这种测量也可以告诉你表面是疏水性的还是亲水性的。

这些定义建立在一个游移的尺度上，它们之间的界限是模糊的，但一般来说，水接触角在0°～90°的表面被认为是亲水性的。这些材料对液体分子有强烈的吸引力，这意味着它们的表面能很高——它们很容易湿润。如果你测量的接触角在90°～180°，你得到的则是低表面能材料。当水滴落在这些表面时，它在很大程度上被“忽视”了。该水滴倾向于保持其形状而不是散开，这意味着该表面是疏水性的（见图4）。我们很快会再次讨论这些问题。

使用涂料时，你希望这些液体能够扩散，因为从理论上讲，它会同时利用多种黏附方式。容易润湿的表面在喷涂时不必有太大压力，由此可见，了解表面的润湿性非常有用。额外的好处是这些测量也可以让你了解到表面的清洁度，因为污染的存在会改变接触角，使其变大或变小，这取决于污染的类型——这是当我们追求良好黏附力时需要考虑的另一个因素。表面能通常也与摩擦系数μ相关（我们在引言中已经提过这个概念）。虽说这并非绝对，但如果一种材料的表面能很低（如果它对液体来说很滑），它通常也是低摩擦的（对固体来说也很滑）。

关于表面能的讨论，最激烈的部分是它在黏合接合处的重要性——两个物体被一种液体黏合在一起。如果你看一下世界上主要黏合剂制造商的网站，用不了多久，你就能找到他们对表面能的描述。该属性通常以每厘米的达因数来衡量，用于将材料分组。金属有着非常高的表面能（例如，铜是1103达因/厘米），所以它们很容易被弄湿，而像木材这样传统材料的数值也相对较高，范围在几十到几百达因/厘米之间。PVC和尼龙这类工程塑料的数值较低，范围在30～50达因/厘米之间。在大多数网站上，附带的文字都会解释说，数值越低，材料就越难黏合。

当我访问莫妮克·帕斯勒在波士胶公司的实验室时，她向我展示了一个巨大的矩阵，那是用来帮助用户为各种表面选择合适黏合剂的。对她和她的同事来说，润湿至关重要。“当我在看一个新产品，或者一个有了新用途的旧产品时，我想获得尽可能小的接触角，以便表面完全湿润。如果表面不湿润，就不会有黏附力。道理就是这么简单。”

阿博特教授对此的看法完全不同。他认为，虽然黏附的原理在很久以前就被研究出来了，但对它的整体认识是不足的——哪怕是制造这些化合物的公司。“表面能对涂料来说无疑是有用的，但对于实际的黏合系统，也就是我们真正把东西粘在一起的应用场合，它基本上无关紧要，因为它比我们所需的强度小了几千倍。然而，人们对它很着迷。”

在他的油管（YouTube）主页上，阿博特上传了一系列主要针对业界的视频。其中一则短片演示了基于表面能黏附力的局限性。在这则短视频中，我们可以看到阿博特和另一个人用拔河的方式，试图把两片超级光滑、超级干净的橡胶板拉开。它们之间没有黏合剂，完全靠表面能连在一起。视频中的人拼尽了全力，但橡胶板还是纹丝不动，令人诧异。然而，一个年轻女孩（名叫安娜）轻而易举地就把它们分开了。“当它是一个纯粹的垂直拉力时，表面能产生的力是巨大的，但在现实世界中，你不能依赖这种力量，”阿博特解释说，“当安娜把橡胶板分开时，她实际上是在接合面创造了一个裂隙。表面能对这种力几乎没有抵抗力，所以黏附力立刻就会丧失。”

在阿博特看来，对可靠的黏附力来说，吸收和消解 开裂能量 的能力是最重要也是最容易被忽视的因素。“人们认为强度和弹性是相互对立的，于是他们在黏合剂中加入越来越多的交联来提高其强度。但在几乎所有的情况下，这会使黏合剂变得更糟，因为它无法移动和拉伸了。”在绝大多数情况下，一定程度的灵活性赋予了黏合剂弹性，这是一种应对各种压力和张力的手段。或者就像肯德尔曾说的：“柔软的材料黏性最好。”如果没有这种吸收能量的能力，黏合剂很可能会失效——无论它在传统意义上有多“牢固”。

在我与阿博特的谈话即将结束时，我问他，为什么他认为表面能在黏合剂的世界里仍然被供在神坛。他叹了口气，说：

有时候，我认为这只是因为你可以测量它。这是一个实实在在的数字，这通常会让人们觉得一切尽在掌控之中，而且他们也明白发生了什么事。其中也有商业动机。一个从事表面处理工作的同事曾告诉我，他的客户只对他卖给他们的东西的达因值感兴趣，尽管他试图解释，黏合的学问远远不止表面能。

鉴于这些因素，如何判断我们是否拥有一款优秀的黏合剂。嗯，“优秀”是一个相对术语。水也许能把杯垫粘在杯子底部，但你不会想用它来支撑盘子。如果黏性胶带能够立即产生永久性的黏合力，那么包装生日礼物将成为一项高风险的活动。选择黏合剂时，我们主要是寻找一种能够抵抗在其使用寿命期间作用于它的力的材料。这些力到底是什么样子，将根据我们的具体需求而有所变化。重要的是，没有办法将黏合剂的行为与它所黏附的表面行为区分开来，因为正如阿博特常说的：“黏附力是系统的一种属性。”这意味着在现实中，一切都是相互依赖的。这就是为什么没有简单、客观的黏性衡量标准，没有一个数字可以概括你需要了解一款产品的所有信息。对于商业黏合剂，我们最多只能设计测试，让产品在测试中表现出在现实世界中的使用情况。

市场上有很多黏合剂产品、大量的测量标准以及公认的检测设置，用于揭示它们的性能。因此，与其（徒劳地）试图介绍所有的产品，不如挑选出我认为大家都熟悉的两款产品进行介绍。

既然是在写一本名为 Sticky 的书，我真的不能不提3M公司的“报事贴”（Post-It ^® ）便笺，尤其是因为当我打字的时候，周围贴满了它们，每一张上面都写满了对后面章节的构思。 这些背面带有一个小小条形黏性区域的彩色纸片是办公的“利器”，最初由3M公司申请专利，并于1980年首次推向市场。鉴于报事贴现在已经是司空见惯之物，人们很容易忘记它们的开发投入了多少心血。这个故事是设计界的传奇，涉及两位科学家——斯宾塞·西尔弗（Spencer Silver）和亚瑟·弗里（Arthur Fry）。早在20世纪60年代末，西尔弗就一直在为航空航天行业研究超强黏合剂，但实验室里的一次错误使他意外有了一个新发现——后来他为此申请了专利——一种由悬浮在溶剂中的微小丙烯酸酯球体（每个球体的直径介于5～150微米之间）组成的、可喷涂的、轻度黏性的黏合剂。这些球体对压力敏感，但有弹性，正如西尔弗在专利申请中所写：“直接对其中一个聚合物球体施加力会导致其变形。然而，在释放压力后，球体又会恢复原状。”接着，他讨论了这种材料如何应用于不同表面，将其描述为“一种微湿的黏合剂层，可以很容易地黏合纸张，但也允许纸张被移除、换个位置或重新黏合”。几年后，这种几乎没有黏性的黏合剂才找到商业用途。弗里是西尔弗的同事，也是其教堂唱诗班的热心成员，他对自己精心摆置的书签经常从圣歌书中掉出来感到沮丧。在寻找一种可以粘在书页上，但又能轻易取下的东西时，他想到了西尔弗的发明。于是两人开始合作，并逐步组建了一个团队。

他们早期必须解决的一个问题是，每次将原黏性便笺从表面移开时，它都会留下一些聚合物球体，并因此损失黏性。要想让便笺真正可以重复使用，他们需要找到一种方法来保持便笺纸上的黏合剂。他们的解决方案实际上是用胶水黏合胶水——一种黏合剂化合物，在黏合剂球体之前涂于便笺上，从而将球体固定在纸上。在他们的“丙烯酸酯微球表面材料”专利中，研究人员没有说他们具体使用了什么黏合剂，以及它的工作机制（提到了“真空效应”，但仅此而已）。他们将这些球体描述为“部分嵌入并从黏合剂中鼓出”。其结果是出现了一条嵌满微小球体的压敏胶膜，可以牢牢地粘在便笺上，但又能以非常小的黏附力将便笺固定在表面上。接下来，他们必须设计出能够大规模生产黏性便笺的机器。“这不仅仅是在纸上涂抹一点胶水那么简单。”《化学工程师》（ The Chemical Engineer ）杂志曾如是引用弗里的话。据了解，这套设备的早期原型是在弗里的地下室制作完成的，它使用滚筒涂抹黏合剂，然后再涂抹黏性球体。即使在解决了所有设计挑战之后，该团队仍然需要说服3M公司管理层，让他们相信这种便笺有商业价值——这就是另一个故事了。冠以“报事贴”的商标在全球推出后，弗里和西尔弗的发明立刻大受欢迎，并激励其他制造商创造了他们自己的版本。2019年，全球便笺纸的市场估价超过20亿美元。

我想着重介绍的另一个黏性超级明星是超级胶水。你可能会惊讶地发现，它并不是一个商标。 大多数黏合剂品牌都有销售一款名为“超级胶水”的产品，其实它们都基于一种叫作氰基丙烯酸酯的聚合物。这种物质以几乎能够黏附在任何表面上而闻名，尽管后来将其作为黏合剂的用途申请了专利的人一开始并没有把这视为一种积极因素。在第二次世界大战期间，伊士曼柯达公司的化学家哈里·库弗（Harry Coover）负责生产供军队使用的透明瞄准器。在实验不同的聚合物时，他的团队发现了一种特别黏的配方，它可以黏住并永久地破坏它接触的一切。是的，很有趣，但由于这不是他们所需要的，所以库弗就将其搁置了。直到6年后，在研究用于喷气式飞机的黏合剂时，他才重新审视了氰基丙烯酸酯。1956年，他获得了这种物质的专利。

在瓶子或管子里，氰基丙烯酸酯黏合剂是液体，流动和表现也是如此。但是，任何曾经不小心把手指粘在一起的人都会告诉你，一旦离开了容器，它们很快就会变成固体。与普遍的看法相反，启动这种固化反应的不是空气中的氧气，而是水蒸气。一旦超级胶水接触到水，水分子就会与氰基丙烯酸酯结合，形成相互连接的长链，从而变硬。在我们这个灿烂而潮湿的星球上，大多数表面都被一层超薄的水永久覆盖着，这使氰基丙烯酸酯成为一个非常有用、非常通用的黏合剂选择。这也意味着通过呼吸产生自己水层的皮肤，特别容易受到其快速形成的键的影响。这一认识后来使氰基丙烯酸酯化合物有了取代传统的缝合伤口用途，这方面产品常见的有皮肤黏合剂（Dermabond）和舒易涂（SurgiSeal）。作为一个小时候没有危险辨别能力和自我保护意识的人，我可以证明它们的有效性。

黏附性无疑是复杂的，但人类对它的理解使我们从中获得了一些深刻的、技术上极为复杂的发现，从保存千年的绘画杰作，到满足各种可能需求的胶水。但一个也许不太明显的事实是，将物体粘在表面的机制也可以用来阻止它们被粘住，而且不出意外，大自然首先做到了这一点。 irfi07t9SV3oZ9yWP9n1N4+WsPT55YEzuClNt3OHO6U3aN1y5dUx+Lt99mceEdi1