萬能的膠水

馬克·米奧多尼克

提到膠水，我們的第一感覺，大多都是黏黏糊糊、不好清理。然而，“膠”的用處并不只是用來貼發(fā)票，它還能用來粘飛機(jī)、假肢，甚至我們身體里的膠原蛋白也是“膠”的一種。

這么一想，坐在飛機(jī)上的你，知道飛機(jī)是“粘”在一起的，會(huì)不會(huì)突然感到一絲不安？

更神奇的是，如果你不小心割破了手，醫(yī)生很有可能掏出502幫你粘上傷口。膠水究竟是什么？它為什么能粘住東西？拿502粘傷口真的靠譜嗎？

飛機(jī)是用膠水粘在一起的？

不管我在飛機(jī)上經(jīng)歷了多少次顛簸，我似乎永遠(yuǎn)無法阻止在腦海中埋下恐慌的種子。理性地想，我知道機(jī)翼并不會(huì)因此而折斷，我們乘坐的是有史以來技術(shù)最先進(jìn)的客機(jī)之一，我甚至參觀過機(jī)翼的黏合組裝工廠，看到它們正在接受機(jī)械測試。盡管如此，我大腦中的理性思維還是被驚慌失措的神經(jīng)元忽視了。我知道，出現(xiàn)這種情況的不止我一個(gè)人。這些年來，我已經(jīng)不會(huì)告訴其他乘客，飛機(jī)是黏合在一起的事實(shí)，他們一般不會(huì)因此獲得安全感。很多液體都具有黏性，也就是說，當(dāng)你把手指放進(jìn)去的時(shí)候，它們便會(huì)粘到你的指頭上。油會(huì)粘上我們，水會(huì)粘上我們，湯會(huì)粘上我們，蜂蜜也會(huì)粘上我們。幸虧它們更容易粘上別的東西，所以毛巾才能發(fā)揮作用。當(dāng)你沖澡的時(shí)候，水會(huì)順著你的身體流下來，它沒有彈開，而是粘在你的皮膚上，不顧重力的作用，迎合著你的胸部、腹部和臀部的曲線。這種黏性是由水與皮膚之間的低表面張力造成的。當(dāng)水與毛巾的纖維接觸時(shí)，就像碰到了細(xì)小的燈芯，正如燭芯會(huì)吸走液態(tài)的蠟，毛巾上微小的“燈芯”也吸走了你皮膚上的水，然后你的皮膚變干了，毛巾卻濕了。所以，液體的黏性并不是某種液體固有的屬性，而是取決于它們與不同材料之間產(chǎn)生的相互作用。

不過，液體具有黏性，并不意味著我們就可以用膠水將飛機(jī)粘在一起。當(dāng)你浸濕手指，沾一沾灰塵，灰塵就會(huì)粘在你的手上，直到水分蒸發(fā)完。水蒸發(fā)后便失去了黏性，這也就是為什么它雖然也有黏性，卻不是一種膠水。膠水一開始是液態(tài)的，但它一般會(huì)慢慢轉(zhuǎn)化為固體，從而將兩個(gè)物體長久地黏合在一起。

能黏住飛機(jī)的環(huán)氧樹膠

我還得說一點(diǎn)，現(xiàn)代飛機(jī)并不是用蠟粘在一起的，我們現(xiàn)在有了更好的膠水——工程師們最終選擇的是環(huán)氧樹脂膠。環(huán)氧樹脂是另一類雙組分黏合劑配方，但它的核心是一種被稱為環(huán)氧化物的單分子。環(huán)氧化物分子的內(nèi)部，有一個(gè)由兩個(gè)碳原子及一個(gè)氧原子構(gòu)成的環(huán)。打破這些化學(xué)鍵時(shí)，環(huán)也會(huì)因此而打開，環(huán)氧化物便可以與其他分子反應(yīng)，形成一種高強(qiáng)度固體。硬化反應(yīng)一開始并不會(huì)發(fā)生，直到分子中的環(huán)因碳氧鍵的斷裂而被打開，而這一般是通過添加固化劑來實(shí)現(xiàn)的。環(huán)氧樹脂的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它的反應(yīng)過程與溫度相關(guān)，你可以先將不同組分混合起來，直到你需要時(shí)它們才開始鍵合。這對于生產(chǎn)機(jī)翼所需的零件來說至關(guān)重要，而這些零件具有復(fù)雜的形狀，并采用纖維增強(qiáng)材料，每一件都很龐大，需要幾周的時(shí)間才能被制造出來。當(dāng)你準(zhǔn)備將黏合劑變成結(jié)實(shí)的固體時(shí)，只需要將它放入一臺(tái)高壓烤箱，把機(jī)翼加熱到合適的溫度，然后就是見證奇跡的時(shí)刻了。這些烤箱被稱為高壓釜，而它們有飛機(jī)那么大。所有的空氣在加熱前都需要從飛機(jī)模具中排出，這也解決了黏合劑的另一個(gè)問題——它們經(jīng)常將空氣困于其中并形成氣泡，硬化后就會(huì)成為缺陷。

環(huán)氧化物的另一大優(yōu)點(diǎn)是在化學(xué)上應(yīng)用廣泛。化學(xué)家們可以將不同的組分與環(huán)氧化物的環(huán)相連，使其與不同的材料相結(jié)合，如金屬、陶瓷以及碳纖維。五金店出售的環(huán)氧樹脂可以用于修補(bǔ)破碎的陶器，或是將旋鈕重新裝回榨汁機(jī)的蓋子上。你可能想知道，為什么它們在使用前不需要在高壓釜中進(jìn)行加熱。這是因?yàn)樗鼈兯玫墓袒瘎┑幕瘜W(xué)成分與制造飛機(jī)的化學(xué)成分不相同，它們可以在室溫下與環(huán)氧化物的分子發(fā)生反應(yīng)。這種黏合劑被分為兩個(gè)包裝進(jìn)行銷售，所以你需要將它們混合。其中一管裝的是環(huán)氧樹脂，另一管中則是固化劑與各種用于加快反應(yīng)的催化劑，讓黏合劑可以更快地變?yōu)楣腆w。這些家用型環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度不如飛機(jī)所用的，但也不容小覷。

或許這一切聽上去都很簡單，但認(rèn)識(shí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)并研發(fā)相關(guān)技術(shù)足足用了幾十年的時(shí)間，人們這才對這些飛行的碳纖維飛機(jī)表示信任。最初，這些碳纖維復(fù)合材料是在地面上的賽車中得到了檢驗(yàn)，結(jié)果非常成功。如今，賽車的引擎中甚至還有這些含碳的零件，你肯定猜到了，我們設(shè)計(jì)出了可以用于高溫環(huán)境的環(huán)氧樹脂。之后，碳纖維復(fù)合材料被應(yīng)用在假肢中，這是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，因?yàn)樗鼈儽群芏嘟饘俑?、更?jiān)固，還要輕得多。一些殘疾跑步運(yùn)動(dòng)員所用的“刀鋒”，其實(shí)就是由碳纖維復(fù)合材料制成的。這種材料也被用于制造自行車。迄今為止，世界上性能最好的自行車都由碳纖維復(fù)合材料打造，而這些材料便是用環(huán)氧樹脂黏合在一起的。當(dāng)然，波音公司和空中客車公司最新型的商用客機(jī)也是用碳纖維復(fù)合材料制造的。

萬能的502膠水

正如假肢和飛機(jī)中的螺栓與鉚釘已經(jīng)被膠水或黏合劑取代，醫(yī)院中的縫線與螺釘很可能也將會(huì)被替換成膠水。前些天踢球的時(shí)候，我不小心在頭上劃了一道口子，于是用手帕捂住傷口去了醫(yī)院，血淋淋地在候診室等了兩個(gè)小時(shí)。終于叫到了我的號，醫(yī)生問診后，清洗了我頭上的傷口，隨后制作了一管氰基丙烯酸酯黏合劑。他把這種膠噴到我傷口的兩端，然后緊緊推到一起保持10秒鐘，就讓我回家了。他不是想節(jié)省時(shí)間的奇葩醫(yī)生，而是在采用醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)做法。

氰基丙烯酸酯黏合劑是出了名的強(qiáng)力膠，也是一種奇怪的液體。就其本身而言，它是一種油，性狀也很像油。但是，如果將它暴露在水中，水分子就會(huì)和氰基丙烯酸酯發(fā)生反應(yīng)，并打開其中連接原子的雙鍵，使它得以與另一個(gè)氰基丙烯酸酯分子發(fā)生反應(yīng)，這樣就形成了一個(gè)有富余化學(xué)鍵的雙分子，可以與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。而它也確實(shí)這么做了，繼續(xù)和另一個(gè)氰基丙烯酸酯反應(yīng)，生成一個(gè)具有富余化學(xué)鍵的三分子，然后接著反應(yīng)，以此類推。隨著這一連鎖反應(yīng)的不斷進(jìn)行，一個(gè)越來越長且內(nèi)部相互緊扣的分子形成了。

這已經(jīng)很智能化了，但還有更精妙的地方。只需要空氣中有一點(diǎn)兒水蒸氣，薄薄一層氰基丙烯酸酯液體就能轉(zhuǎn)化為固體。雖說很多黏合劑都不能在潮濕的環(huán)境下黏結(jié)物體，因?yàn)樗械乃侄紩?huì)使它們很難附著在物體表面，但強(qiáng)力膠可以在任何地方起作用。試過的人都知道，它也可以很容易地讓你的手指粘在一起。所以，化學(xué)家們還在尋找一種快速而又舒適的方法來讓強(qiáng)力膠脫落。

撇開手指不談，如今黏合劑已經(jīng)將世界上的很多東西粘在了一起，未來可能還會(huì)有更多，飛機(jī)可以以每小時(shí)500英里的速度穿過湍流，這是一個(gè)有力的證據(jù)。我們對很多黏性物質(zhì)的研究也許還不夠深入，特別是當(dāng)你還在研究其他生物正在使用的強(qiáng)黏性物質(zhì)究竟有多少種，幾乎每天都有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物、貝類或蜘蛛使用的某種新型膠水。

（可可摘自天津科學(xué)技術(shù)出版社《迷人的液體》）