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從蒼蠅得到啟發的一種發明。 黏性是非常複雜的事,與好幾個因素有關。但基本原理是,兩個表面靠得非常近時,會互相粘黏,這是因為任何一對原子或分子之間,都有吸引力。 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,可以覆蓋住整個要黏著的面積,之後經過化學作用,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。

1簡介

在英國北韋爾斯的海洋科學研究所中,一群科學家花了很多時間,觀察蒼蠅在牆壁上面,上上下下的走動。科學家並不是閑得沒事幹,事實上正好相反。他們想知道蒼蠅憑什麼能對抗地心引力,在牆面上隨意行走。其實,在接合工藝學(zygology)上的任何創見,都有很重要的實際應用價值。所謂接合工藝學是研究東西結合的科學。楔片、釘子、螺絲與焊接,都在我們日常生活里扮演重要的角色,但是我們還需要各種黏著劑,否則日子會很難過:飛機會從天上掉下來,傢具會散開,瓷磚會從牆面剝落,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,會變成什麼世界!
黏膠

  黏膠

任何黏性研究,都應該從微觀機制著手。因此,海洋科學實驗所的研究人員,首先把蒼蠅腳放大,仔細研究。蒼蠅有六隻腳,每隻腳上都有兩個小爪子,讓它可以鉤住任何凹凸不平的表面。但事情並沒有這麼單純。蒼蠅還可以在玻璃板等光滑平面上,隨意走來走去,研究人員懷疑這裡面藏有玄機,會不會是蒼蠅腳底有什麼分泌物作怪?他們決定仔細檢查蒼蠅走過的玻璃表面,看看是不是留有什麼東西。果然不出所料。

2油脂會不會是一種膠?

當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,發現玻璃上有油脂,使玻璃面出現細微的腳印。這些油脂會不會是一種膠?
為了測試這個想法,研究人員設計了細緻精巧的實驗。他們用強力膠在蒼蠅背上黏上一條細線,再裝上一個小儀器,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。然後他們讓蒼蠅重新走過玻璃板,再用細線把它們拉起來。這次所需要的力量,只有之前的十分之一。
看起來,蒼蠅真的是用膠把腳黏在牆上。但這裡頭有什麼化學作用?黏性到底是怎麼回事?口香糖會黏住頭髮,而卻不會黏住鐵氟龍,又要如何解釋呢?為什麼醋不會像糖水一樣黏黏的呢?
黏性是非常複雜的事,與好幾個因素有關。但基本原理是,兩個表面靠得非常近時,會互相粘黏,這是因為任何一對原子或分子之間,都有吸引力。原子是由原子核與電子構成的,原子核帶正電,幾乎整個原子的質量都集中於此,電子帶負電荷,繞原子核外的軌道旋轉。在分子里,原子間結合形成化學鍵。化學鍵形成的原因是電子受兩個原子核吸引,但電子並不是固定不動的,不管在任何時間,分子與原子內的電子會集中形成負電區,而原子核所在的地方會形成正電區。電荷這種暫時分開的現象,稱為偶極。
偶極的負電端,會受鄰近偶極的正電端吸引,這就是所謂的凡得瓦力。當兩個表面非常靠近時,這兩個表面的分子會受凡得瓦力互相吸引,產生黏著力。凡得瓦力非常小,但兩個表面有無數億對的偶極會互相吸引。如果真是這樣,為什麼無法讓壞掉的椅子,靠在一起就自動黏合呢?
老實說,理論上這是可行的;但事實上,我們卻不可能讓兩個表面的距離,近到使凡得瓦力得以發揮作用。不管一個表面看起來有多平、多光滑,從微觀的尺度來看,上面一定會有凸起與凹洞。因為凡得瓦力只在數埃的範圍內發揮作用,因此一個只有400埃(1埃等於10-8公尺)的高峰,就會使表面間的吸引力幾乎消失殆盡。現在,如果其中一個表面是可以移動的(例如液體),它的分子可以流進另一個表面的凹洞,而且也把凸起包覆起來,使兩個表面的分子間距,近到可以感覺出彼此的偶極。
只要沾一點蜜在兩根手指之間,就知道我在說什麼了。蜂蜜有足夠的移動力,可以填滿兩個表面上所有的空隙,使表面與蜂蜜間的距離很接近,足以觸發凡得瓦力。但只有移動力還不足以形成化學鍵。水也會流動,也能形成凡得瓦力,但並不會黏黏的,這是為什麼呢?這就要談到黏著劑的另一項條件了。好的黏著劑,不但能與兩個表面分別緊密連結,黏著劑分子之間也要能形成鍵結,當兩個表面受外力分開時,黏著劑分子也還能緊密結合。
水可以與兩個表面分別緊密結合,但水分子之間的鍵結太弱,受到壓力很容易就分開。如果水結成冰,水分子間的鍵結力就非常強,因此兩塊濕木片只要經過冰凍,就可以黏得牢牢的。
蜂蜜不像水,它裡面有糖分子,不但彼此緊密結合,也能與其它的分子結合,因此蜂蜜會黏黏的,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,能輕易覆蓋住想要接著的表面,與這些表面產生有效的凡得瓦鍵。接下來,它要能固化變硬,在本身的分子間形成緊密強固的結構,不輕易分開。就像前面水結冰的例子。
當然,我們希望這些變化都在常溫發生。有一種用水與麵粉調出的簡單黏膠,就是個好例子。這種麵糊在濕濕的時候,很容易移動,但幹了之後,長鏈的澱粉分子會互相糾結,變得很難分開。蛋白質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,送去制膠工廠當明膠的原料。今天,我們已經很少用澱粉或明膠,多半使用合成膠,例如用簡稱PVA的聚乙烯醇(H[CH2CH(OH)]nH)。把PVA溶在水裡,就是很受學生歡迎的白膠。它的流動性好,但水分蒸發后,就會變硬。
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,可以覆蓋住整個要黏著的面積,之後經過化學作用,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。

3AB膠

AB膠含有兩種成分,會反應產生聚合物,而瞬間膠裡面有一種小分子,叫做氰基丙烯酸酯(C8H11NO2),它接觸到空氣里的水氣時,會緊緊結合成類似聚合物的長鏈狀結構,把兩個面緊緊黏住。瞬間膠的效果,其實與空氣里的水分有密切的關係。因此,如果有人問你,為什麼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,對黏著劑的首要要求,就是能夠容易流動,輕易覆蓋住要膠合的表面。但這問題其實相當複雜,並不像表面上那麼簡單。有人可能直覺認為,這應該只與黏著劑的黏性有關。其實不然。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,你就會知道了。鐵鍋里的油會散開,但長柄鍋里的油會結在一起形成小油滴。這是黏著劑原子之間的結合力,及黏著劑原子與鍋子表面原子間的結合力,兩者差異的表現;這也代表這個表面的原子可以給其它物質多少吸引力。
從鍋子的例子來看,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,每個碳原子上還接了兩個氟原子。氟由碳的結構上伸出,代表分子對外的接觸點,也就是可能與別的東西的原子結合的位置。但氟一旦與碳連接后,就出了名死心塌地的安分,不再對任何對象有興趣。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和盤托出呢。計算顯示,即使接觸面全部由黏膠有效覆蓋,黏膠對錶面的黏合力,還是大過凡得瓦力的總合,這是怎麼回事呢?這裡面其實還有另一個效應存在。黏著劑覆蓋了表面、硬化之後,從微觀的尺度看,有許多小氣泡陷在表面的凹洞裡。這些氣泡也有吸力,要拉開這兩個接合面,還必須破壞這些氣泡才行。由於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成分,以應所需。不同的黏膠硬化后,強度也大不相同。沒有可以接合所有東西的萬用膠,如果真有這種東西,那我們要怎麼拿下它的瓶蓋?
我們常會發現黏膠的新用途。例如,我們正開始試著不用手術線,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;腦外科手術也開始使用黏膠補強血管的弱點。
但就像其它的化學物質一樣,黏膠也會有問題,只要問問那位誤把瞬間膠當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。醫生最後從他的鼻子里,弄出一塊硬膠來,這團硬膠形狀就像鼻腔內部的模型。還有個粗心的母親把瞬間膠當眼藥膏,抹進嬰兒眼睛里。醫生只好把嬰兒全身麻醉,再動手術切開眼皮。還有破壞者在一間愛爾蘭酒吧的馬桶座塗了瞬間膠,不知情的顧客一屁股坐上去,就下不來了。(這類的傳聞逸事,是很難認真追查的。)在經人發現送醫之前,他有好長一段時間可以仔細觀察蒼蠅怎麼在牆面上行走。當然在送醫過程,他的屁股還是黏在馬桶座上。醫生用丙酮(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,而且在卸假指甲時特別特別有效。如果使用得當,它們算很安全,但如果吃進肚子里,就很難說了。乙腈在體內新陳代謝后,會釋放出氰化物(CN)。曾發生可怕的乙腈中毒意外,一個16個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,產生了一點誤會。中心的人誤以為小孩子吃到的是去光水或丙酮,這模擬較不危險的化學藥劑,因此並未採取特殊的急救措施。第二天上午,嬰兒就死了。又是一個乙?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年轟動一時的電視連續劇「歡樂單身派對」(Seinfeld)的最後情節?傑瑞的朋友喬治幾乎要結婚了,喬治與未婚妻蘇珊忙著寄結婚請帖,但後來卻遲遲沒有進行婚禮(這大概讓喬治鬆了一口氣)。因為蘇珊中毒了,而這全是喬治的錯。這個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,導致中毒。劇中暗示如果喬治不那麼小氣,這種事是可以避免的。因為較貴的信封,封口的黏膠質量較好,毒性較低。這段劇情有可能是真實故事的翻版嗎?絕不可能。
我們的法令對信封上的封口膠,有非常嚴格的安全標準,因為很可能有人會把它吞下肚,所以規定這種黏膠要達到食物的安全標準。這類黏膠的種類很多:水溶性的阿拉伯膠來自洋槐樹,糊精則是玉米澱粉做的,至於最適用的,則是聚乙烯醇。我們也試過別的東西,來加強黏膠的彈性與塗布質量,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。這些東西當然不可能好吃,但至少是無毒的。事實上,蟑螂只要有封口膠可以吃,就能夠存活很久。
如果對黏膠還有任何疑慮的話,可能是它會引起某些過敏反應。有少數人會對地毯背膠、傢具上光膠甚至假指甲里的黏膠過敏。對黏膠過敏的事件,我有一件很好玩的例子,而且我與當事人相當熟。我有個朋友多年來一直過敏,流眼淚、流鼻水、呼吸急促。起先醫生以為是花粉引起的,因此當她過敏的情況愈來愈嚴重時,就為她做一系列的過敏原測試。但奇怪的是,她對這些一般性的過敏原都沒有反應。有一天,她正好又為過敏所苦惱,碰到一位舊識,就對老友訴苦。這位老朋友想了想,忽然問她是不是戴假指甲?因為發問的這位老朋友,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,過敏癥狀就不藥而癒了。我朋友一聽,立刻趕回家,取下假指甲。你也知道發生什麼事了吧?第二天起,她的過敏就一去不返了。
我正好在此時介入此事,就建議我朋友做個對照實驗,證實自己的假設。她本身是藥劑師,知道如何進行科學調查。她戴上假指甲就過敏,拿下來就沒事。後來她的醫生測試她對指甲黏膠,氰基丙烯酸酯的反應,發現果然是陽性的。從此,每次她的醫師碰到新病人,不管是男是女,總是會問對方,有沒有戴假指甲。當我在廣播節目里談到這個奇怪的故事時,得到另外一位女士熱烈的迴響。她還提供了另一則有趣的故事。這位女士裝了假牙,卻對假牙用的丙烯酸酯類黏膠過敏。之後,她每次經過修指甲的美容院,都會有過敏反應。我無法證實她說的情節,但在奇異的過敏世界里,什麼怪事都可能發生。

4黏膠故事

關於黏膠,還有個故事值得一說,就是美國3M公司首席科學家席爾巴(Spencer F. Silver)的故事。雖然他不是家喻戶曉的人物,但他發明的利貼(Post-It)卻幾乎是人人皆知。1998年,美國化學學會特別因為他發明利貼而頒獎給他。他發明的這種特殊黏膠,要它黏就黏,要撕下來就撕下來。而這種東西的背後,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,但是當你想把它拿下來時,卻又不會傷到它原先附著的表面。今天,這種產品已經相當普遍,到處都有可隨時去除的黏著劑。但在1968年,沒有人知道有這種東西。科學家確實知道,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。於是席爾巴開始著手研究,他做出一些合成聚合物,最後得到一種黏著力不強但很容易撕開的東西。但它有個缺點:不是每次都能撕得乾乾淨淨的。後來連席爾巴自己也對這東西喪失興趣了。
幸好,在1970年代早期進入3M公司的化學工程師富萊(Arthur Fry)對這東西感興趣。更巧的是,富萊參加教會的唱詩班,需要可以貼在樂譜上的小紙條,在特定的幾頁做記號。正好,他記得席爾巴發明過一種不太黏的黏膠,於是他用這種黏膠,塗在紙條的背面,用來標示樂譜,這樣子紙條既不會掉且容易撕下也不留痕迹。這就是利貼的雛型。
後來富萊又花了一年半改善它的缺點。他發展出一種初級膠,用來把黏著劑黏在紙上,讓黏著劑不會黏到便條紙要貼上的物質表面。然後他發展出製造這種便條紙的機器。但利貼並不是一上市就造成轟動,它是靠巧妙的銷售策略來推動的。3M公司在美國愛達荷州的波夕市分送免費贈品給上班族,用過的人有九成在贈品用完后,會掏腰包再買來用。今天的利貼,採用了非常複雜的技術,已經真的可以一再重複使用。它的黏性來自尿素甲醛樹脂的微小顆粒。在壓力之下,這些小顆粒會破裂,但不會同時全部破裂。一張利貼便條,可以重複使用多少次呢?我不知道。應該做個實驗來試試。我會寫張便條,提醒自己這件事,當然是寫在利貼上啦。

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