膠帶是如何粘住物體的？

一位朋友有一次在聊天時提到，他年幼的兒子問了他一個荒唐的問題，他不知道如何回答：為什麼膠帶能粘住紙片卻粘不住空氣？我說，這個問題看似荒唐，其實非常有趣，因為它涉及到了一個很重要也是很基本的問題，那就是什麼是膠，膠是如何粘住物體的？

我們知道，所有的化合物都是由不同元素的原子所組成，但僅有原子還不夠，大部分情況下，它們還必須互相拉起手來，也就是通過化學鍵形成分子。例如，當一個氧原子分別拉住兩個氫原子的手時，我們就得到了水分子。化學鍵是一種非常強烈的吸引力，要想把水分子重新變成氫原子和氧原子，我們必須付出相當大的能量才行

紙張的成分非常複雜，但它的主要組成部分——纖維素，也是由為數眾多的碳、氫和氧原子通過化學鍵互相連接起來形成的纖維素分子所組成。但如果只有化學鍵存在的話，我們不僅不可能看到紙張，而且許多固體都無法在這個世界上存在，這是因為分子之間缺乏有效的約束，彼此可以相隔得無限遠。因此，即便真能把眾多纖維素分子聚集在一起形成紙張，只要稍稍用力，紙張就會立刻分崩離析。

顯然，這種情況並沒有在現實中發生過。這說明分子之間同樣存在某種相互吸引的作用，這種作用稱為分子間作用力，也叫范德華力。分子間作用力的強度要比化學鍵弱得多，但是在一定的條件下仍然能夠將分子們互相維繫在一起。在紙張中，纖維素分子之間也是通過分子間作用力連接起來的。除了分子間作用力，某些分子由於特殊的化學結構還會存在其他形式的相互吸引，例如纖維素的分子之間就還存在一種叫做氫鍵的吸引力，它的強度比分子間作用力要強很多，不過仍然不是化學鍵。分子間作用力不僅存在於同種分子之間，不同種類的分子同樣可以互相吸引。這一點非常重要，我們很快就會看到它是如何發揮作用的。

不過隨之而來就出現了一個問題：我們把兩張紙放在一起，即便用力按壓，一旦鬆開手，兩張紙還是會分開。既然存在於兩張紙中的都是纖維素分子，那麼分子間作用力到哪裡去了，為什麼它不能把兩張紙連在一起呢？

剛才我們提到，任意兩個分子之間都可以通過分子間作用力相互吸引，但有一個很關鍵的前提我們沒有講，那就是只有當兩個分子相隔非常近的時候才會互相吸引；只要它們稍稍遠離一些，原本還算比較強烈的吸引力很快就無影無蹤了，這就是為什麼兩張紙無法被連在一起的原因。如果我們用顯微鏡仔細觀察就會發現，看似平滑的紙張表面實際上坑坑窪窪，密布著許多微觀結構。因此當我們把兩張紙放在一起時，就算用力按壓，表面上的纖維素等分子總是有很多仍然隔得很遠，根本無法產生強烈的吸引力。當然，大部分情況下這不僅不是壞事，而且大大有利於我們的生活。例如，當我們從書架上取下一本書時，不必擔心它會和相鄰的書粘在一起；把書放在桌子上，也不必擔心過一會兒就和桌子連成一體取不下來。不過在另外一些場合，我們確實需要把不同的物體連接起來，而這個時候膠就成了很好的幫手。

膠是什麼呢？

不同類型的膠雖然區別很大，但一般來說，它們都有一個共同的特點，那就是本身是易於流動的液體，卻又能在合適的條件下變成固體。以著名的萬能膠為例：商店裡買來的萬能膠是像水一樣的液體，它的主要成分是一種名為氰基丙烯酸乙酯的物質。這種化合物有一個特點，那就是遇到哪怕一丁點水分，都會迅速發生化學反應變成聚氰基丙烯酸乙酯。而後者不再是液體，而是一種堅硬的塑料。

用萬能膠粘合物體時涉及到的化學變化

如果用萬能膠把兩張紙粘在一起，我們需要先將膠塗在一張紙的表面，再迅速把另一張紙覆蓋上去。在這個過程中，氰基丙烯酸乙酯的液體首先會在第一張紙的表面鋪展開來，並填平表面上凹凸不平的結構，形成薄薄的一層液體膜。這樣，氰基丙烯酸乙酯的分子就與紙張表面的纖維素分子直接接觸了。剛才我們提到，分子間作用力不僅存在於同種分子之間，也存在於不同的分子之間。這樣一來，纖維素分子和氰基丙烯酸乙酯分子之間就會互相吸引。當我們把另一張紙覆蓋到膠的表面時，氰基丙烯酸乙酯的分子又會和第二張紙表面的纖維素分子相接觸並互相吸引。也就是說，本來兩張紙表面上的纖維素分子彼此之間隔得很遠，無法形成有效的吸引力，但是通過氰基丙烯酸乙酯分子架起的橋樑，兩張紙被粘在一起了。

接下來，在空氣中和紙張表面的微量水汽作用下，氰基丙烯酸乙酯分子固化，使得分子之間的相互吸引更加強勁，這時我們必須要費很大的勁才能把兩張紙分開了。當然，還有一些膠的分子能夠與被粘合的物體表面的分子形成化學鍵，這樣的膠自然可以把物體粘合得更牢固。我們常用的膠帶，也是通過類似的機理粘住物體，只不過它相當於事先把膠水塗在了一個物體上，然後再用這個物體去粘住另一個物體。

那麼為什麼膠帶粘不住空氣呢？在前面我們已經了解到，分子間作用力能夠把分子們維繫在一起，但實際上分子也在同時做著無規則的熱運動。當溫度比較低時，熱運動並不是很強烈，因此在強烈的吸引力作用下，分子們只能老老實實地呆在自己的位置上，使整個物體得以保持一個固定的形狀，這也就是我們通常所說的固體。隨著溫度的升高，熱運動開始變得比較強烈，分子們不再被束縛在固定的位置上，不過由於分子間作用力仍然有著一定的強度，分子們又不能離開原有的位置太遠。宏觀上看，原來的固體已經變成了液體，可以流動，無法再保持自身的形狀，但是仍然可以保持一定的體積而不能被隨意壓縮。如果溫度繼續升高，熱運動變得更加強烈，那麼分子們就基本上擺脫了分子間作用力的束縛，彼此之間的距離可遠可近。從宏觀上看，這就是氣體：不僅可以流動、無法保持固定的形狀，而且體積可以隨意變化。

左：兩個固體相接觸時，表面上的分子往往仍然相距較遠，分子間作用力很弱；中：膠能夠分別與兩個固體表面上的分子發生作用，因此將兩個固體牢固連在一起；右：氣體分子之間距離較大，無法通過分子間作用力相互吸引，因此膠帶無法「粘住」空氣

了解了不同物質狀態的區別，現在我們應該明白為什麼膠帶粘不住空氣了：當我們用膠帶去「粘」空氣時，實際上確實會有一些空氣分子跑到膠帶表面與膠帶上的分子發生接觸，但是這些空氣分子並不能吸引更多的空氣分子。也就是說，並不是膠帶「粘不住」空氣，而是因為處在氣體狀態下的分子本身缺乏相互之間的吸引力。換句話說，既然我們無法用手拿起一塊空氣，自然也不可能用膠帶去粘住空氣。

相信通過這個問題，各位讀者已經對膠的作用機理有了初步的認識，那麼接下來我們不妨再思考一個問題：同樣是粘固體，為什麼膠有的時候粘不牢？

（作者：嵌段共聚物）

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