文 | 魏昕宇
2010 年的諾貝爾物理學獎授予了一項頗不尋常的發現：英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）成功從石墨中分離出石墨烯，並通過實驗確定了它的性質。
我們都知道，石墨可以看成由一層層的碳原子疊加而來的，這些碳原子層就是石墨烯。由於其厚度只有一個原子，石墨烯被認為具有許多不尋常的特點，如極高的強度和良好的透光性等。但長久以來，科學家們一直苦於無法製備出石墨烯的樣品，人們甚至認為石墨烯只是假設性的結構，不可能真實存在。
然而海姆和諾沃肖洛夫卻將不可能變成了現實，讓全世界為之震動。作為世界上最為知名的自然科學類獎勵，諾貝爾獎對於獲獎者的選擇頗為慎重，許多科學家在做出重要發現十幾年甚至幾十年之後才終於有機會獲得這一殊榮，而海姆和諾沃肖洛夫在2004 年首次分離出石墨烯，6 年後就榮登諾貝爾獎的領獎台，由此可見這一研究的重要意義。
那麼海姆和諾沃肖洛夫是如何分離出石墨烯的呢？他們的方法簡單得令人難以置信：將辦公室常用的膠帶貼到石墨表面，再將膠帶剝離下來，膠帶表面就黏附了一些石墨的碎片。隨後他們再把新的膠帶按壓到這些石墨碎片的表面然後剝離，重複幾次之後，膠帶表面上就只剩下單層碳原子了。
看起來毫不起眼的膠帶居然幫助科學家們獲得了頂級學術大獎，這聽起來真的是不可思議。但膠帶確實是我們生活中不可或缺的一部分。我們用它來給物體貼標籤、在牆上張貼通知、密封包裝箱、修補被撕破的書籍頁面，還用醫用膠帶（如創可貼），來幫助傷口癒合。膠帶之所以備受人們的青睞，最主要的原因恐怕在於它的形式和使用都非常簡單，輕輕在物體表面一按就能粘住，而不需要它們的時候常常又很容易就可以剝落下來，在被粘住的物體上幾乎不留一絲痕跡。那麼膠帶的作用機制與前面介紹的幾類黏合劑有什麼區別呢？
一、最好的固化是沒有固化
所謂膠帶，如果單從外觀上定義，指的是表面塗有黏合劑的固體載體。為了便於使用，這些固體載體，即通常所說的基材，一般會選用紙、塑料膜或者布等比較輕薄的材料，塗有膠的基材往往還會被預先裁成帶狀或者片狀。但實際上，膠帶還可以被分成兩類，它們看上去相似的外表下其實隱藏著巨大的差別。
第一類膠帶只是簡單地將前面介紹過的幾種黏合劑預先粘在一個物體的表面，用它來黏合另一個物體時，我們仍然需要特定的條件來完成固化。例如之前提到的再濕膠就屬於這一類膠帶，用它粘東西時，必須先用水潤濕膠使其恢復到溶液狀態。還有一種膠帶是預先將熱熔膠塗在物體表面，需要使用時加熱背膠使其熔化，就可以粘住物體。像這樣的膠帶，單純將它們按在物體表面是不會有黏合效果的。
第二類膠帶不需要任何特殊條件，單純通過按壓就能粘住物體，它們被稱為壓敏膠或者壓敏膠帶。我們見到的大多數膠帶，如透明膠、不幹膠標籤和雙面膠，都屬於壓敏膠帶。這麼看來，壓敏膠帶的固化機制必定是異於其他類型的膠了？猜對了。壓敏膠帶已經把固化「修煉」到了極致—不需要固化。那麼不經固化，壓敏膠帶又是如何粘住物體的呢？
在前面提到過用水打濕的兩片紙時，水實際上就是將它們黏合了起來，只不過這種黏合是暫時的，因為水是液體，無法保持自身的形狀。如果把一張被水打濕的紙粘在牆上時，水在重力的作用下會逐漸流動離開黏合的區域，從而使黏合的效果消失。另外，水不僅會流動，也容易揮發，這也是導致水的黏合作用不能持久的一個原因。
如果把水換成食用油會怎麼樣呢？食用油的分子要比水分子大得多，這意味著什麼呢？首先，隨著分子的增大，分子間作用力增強，分子變得不容易揮發—誰也沒聽說過沾滿油污的盤子放上幾天就能變得乾淨；其次，更大的分子通常流動起來也更加困難，即黏度變大。所以，如果用油代替水去黏合兩片紙，這種黏合作用可以持續得更久。不過即便是食用油，時間長了也會流走，所以我們需要把液體分子變得更大，讓它們流動起來更加困難，高分子材料自然是非常理想的選擇。
在前面我們提到，有不少高分子材料的熔點或者玻璃化轉變溫度低於室溫，因此在室溫下實際上就是處於液體的狀態。然而這些聚合物的分子量動輒幾萬甚至幾十萬，如此龐大的分子使得這些高分子材料即便處於液態，流動起來仍然非常困難。因此如果把兩個物體用這樣的高分子材料連接起來，得到的黏合效果可以維持很久。你看，即便沒有固化這一步，我們仍然可以將固體牢固黏合起來，如果將這樣的聚合物塗到固體薄膜的表面，實際上就得到了壓敏膠帶。
然而隨之而來的是另外一個問題：如果我們將室溫下處於液體的高分子材料塗到物體表面，由於流動性的下降，它們很可能無法在短時間內建立起與物體表面的充分接觸，而這同樣會導致黏合的失敗。但很顯然，壓敏膠帶可以像其他類型的黏合劑一樣牢固粘住物體，這說明我們擔心的這種情況並不會發生。那麼壓敏膠帶是如何破解這一看起來自相矛盾的局面呢？
設想有兩塊很大的互相平行的平板，夾在其中的是水。如果我們用力去平移上面的平板使其按照一定速度移動，而保持下面的平板不動，那麼只要流速不太快，與上面平板接觸的水會按照與平板移動速度相同的流速流動，而與下面平板接觸的水則會保持靜止，因此水的流速在兩塊板之間就存在一個梯度，我們稱之為剪切速率。顯然，施加在單位面積平板上的力（稱為剪應力）越大，液體的剪切速率也就越大。但不管用多大的力去推平板，剪應力與剪切速率的比值總是固定不變的，這個比值就是水的黏度。像這樣的液體，我們稱之為牛頓流體，它的特點是黏度與剪切速率無關。
液體黏度的定義
但如果把水換成處於液態的高分子化合物，情況就不同了。隨著推動上面那塊平板的力度的加大，高分子的剪切速率自然也會增大，但如果仔細觀察一下你就會驚奇地發現，怎麼高分子材料一下子變得容易流動了許多？測量結果進一步驗證了你的觀察：隨著剪切速率的增加，高分子化合物的黏度出現了明顯的下降，這樣的現象被稱為剪切稀化，而具備剪切稀化特性的流體也就被稱為剪切稀化流體，它屬於非牛頓流體這個大家族的一員。顧名思義，非牛頓流體的黏度不再像牛頓流體那樣與剪切速率無關。
牛頓流體與剪切稀化流體的比較
那麼為什麼高分子材料會表現出剪切稀化的性質呢？如果你煮了一碗方便麵，想從中挑出一根麵條總是需要費些力氣，因為這根麵條很容易和其他的麵條纏在一起。同樣，由於高分子化合物的分子又長又富有柔性，它們彼此之間也會纏繞在一起。這些纏繞的存在使得高分子即便處於液態要想流動也是異常困難。但如果提供較高的剪切速率，高分子材料的分子就可以從彼此纏繞中解脫出來，從而以較快的速度流動。
（未完待續）
本文節選自作者所著《塑料的世界》一書，科學出版社2019年5月出版（https://item.jd.com/12530277.html）