膠帶為什么能粘東西，你真的了解嗎？

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一位朋友有一次在聊天時(shí)提到，他年幼的兒子問了他一個(gè)荒唐的問題，他不知道如何回答：為什么膠帶能粘住紙片卻粘不住空氣？我說，這個(gè)問題看似荒唐，其實(shí)非常有趣，因?yàn)樗婕暗搅艘粋€(gè)很重要也是很基本的問題，那就是什么是膠，膠是如何粘住物體的？

(圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesive_tape)作者嵌段共聚物 科學(xué)公園主編，高分子科學(xué)與工程專業(yè)博士。

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(xué)鍵形成分子。例如，當(dāng)一個(gè)氧原子分別拉住兩個(gè)氫原子的手時(shí)，我們就得到了水分子?；瘜W(xué)鍵是一種非常強(qiáng)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(dāng)大的能量才行

紙張的成分非常復(fù)雜，但它的主要組成部分——纖維素，也是由為數(shù)眾多的碳、氫和氧原子通過化學(xué)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(xué)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(gè)世界上存在，這是因?yàn)榉肿又g缺乏有效的約束，彼此可以相隔得無限遠(yuǎn)。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(huì)立刻分崩離析。

顯然，這種情況并沒有在現(xiàn)實(shí)中發(fā)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(qiáng)度要比化學(xué)鍵弱得多，但是在一定的條件下仍然能夠?qū)⒎肿觽兓ハ嗑S系在一起。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，某些分子由于特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)還會(huì)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(qiáng)度比分子間作用力要強(qiáng)很多，不過仍然不是化學(xué)鍵。分子間作用力不僅存在于同種分子之間，不同種類的分子同樣可以互相吸引。這一點(diǎn)非常重要，我們很快就會(huì)看到它是如何發(fā)揮作用的。

不過隨之而來就出現(xiàn)了一個(gè)問題：我們把兩張紙放在一起，即便用力按壓，一旦松開手，兩張紙還是會(huì)分開。既然存在于兩張紙中的都是纖維素分子，那么分子間作用力到哪里去了，為什么它不能把兩張紙連在一起呢？

剛才我們提到，任意兩個(gè)分子之間都可以通過分子間作用力相互吸引，但有一個(gè)很關(guān)鍵的前提我們沒有講，那就是只有當(dāng)兩個(gè)分子相隔非常近的時(shí)候才會(huì)互相吸引；只要它們稍稍遠(yuǎn)離一些，原本還算比較強(qiáng)烈的吸引力很快就無影無蹤了，這就是為什么兩張紙無法被連在一起的原因。如果我們用顯微鏡仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，看似平滑的紙張表面實(shí)際上坑坑洼洼，密布著許多微觀結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)我們把兩張紙放在一起時(shí)，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(yuǎn)，根本無法產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引力。當(dāng)然，大部分情況下這不僅不是壞事，而且大大有利于我們的生活。例如，當(dāng)我們從書架上取下一本書時(shí)，不必?fù)?dān)心它會(huì)和相鄰的書粘在一起；把書放在桌子上，也不必?fù)?dān)心過一會(huì)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(shí)需要把不同的物體連接起來，而這個(gè)時(shí)候膠就成了很好的幫手。

膠是什么呢？

不同類型的膠雖然區(qū)別很大，但一般來說，它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是本身是易于流動(dòng)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：商店里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(zhì)。這種化合物有一個(gè)特點(diǎn)，那就是遇到哪怕一丁點(diǎn)水分，都會(huì)迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成聚氰基丙烯酸乙酯。而后者不再是液體，而是一種堅(jiān)硬的塑料。

用萬能膠粘合物體時(shí)涉及到的化學(xué)變化

如果用萬能膠把兩張紙粘在一起，我們需要先將膠涂在一張紙的表面，再迅速把另一張紙覆蓋上去。在這個(gè)過程中，氰基丙烯酸乙酯的液體首先會(huì)在第一張紙的表面鋪展開來，并填平表面上凹凸不平的結(jié)構(gòu)，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于同種分子之間，也存在于不同的分子之間。這樣一來，纖維素分子和氰基丙烯酸乙酯分子之間就會(huì)互相吸引。當(dāng)我們把另一張紙覆蓋到膠的表面時(shí)，氰基丙烯酸乙酯的分子又會(huì)和第二張紙表面的纖維素分子相接觸并互相吸引。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(yuǎn)，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梁，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(qiáng)勁，這時(shí)我們必須要費(fèi)很大的勁才能把兩張紙分開了。當(dāng)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(xué)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(jī)理粘住物體，只不過它相當(dāng)于事先把膠水涂在了一個(gè)物體上，然后再用這個(gè)物體去粘住另一個(gè)物體。

那么為什么膠帶粘不住空氣呢？在前面我們已經(jīng)了解到，分子間作用力能夠把分子們維系在一起，但實(shí)際上分子也在同時(shí)做著無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度比較低時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)并不是很強(qiáng)烈，因此在強(qiáng)烈的吸引力作用下，分子們只能老老實(shí)實(shí)地呆在自己的位置上，使整個(gè)物體得以保持一個(gè)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(yùn)動(dòng)開始變得比較強(qiáng)烈，分子們不再被束縛在固定的位置上，不過由于分子間作用力仍然有著一定的強(qiáng)度，分子們又不能離開原有的位置太遠(yuǎn)。宏觀上看，原來的固體已經(jīng)變成了液體，可以流動(dòng)，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(xù)升高，熱運(yùn)動(dòng)變得更加強(qiáng)烈，那么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(yuǎn)可近。從宏觀上看，這就是氣體：不僅可以流動(dòng)、無法保持固定的形狀，而且體積可以隨意變化。

左：兩個(gè)固體相接觸時(shí)，表面上的分子往往仍然相距較遠(yuǎn)，分子間作用力很弱；中：膠能夠分別與兩個(gè)固體表面上的分子發(fā)生作用，因此將兩個(gè)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(zhì)狀態(tài)的區(qū)別，現(xiàn)在我們應(yīng)該明白為什么膠帶粘不住空氣了：當(dāng)我們用膠帶去“粘”空氣時(shí)，實(shí)際上確實(shí)會(huì)有一些空氣分子跑到膠帶表面與膠帶上的分子發(fā)生接觸，但是這些空氣分子并不能吸引更多的空氣分子。也就是說，并不是膠帶“粘不住”空氣，而是因?yàn)樘幵跉怏w狀態(tài)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(gè)問題，各位讀者已經(jīng)對(duì)膠的作用機(jī)理有了初步的認(rèn)識(shí)，那么接下來我們不妨再思考一個(gè)問題：同樣是粘固體，為什么膠有的時(shí)候粘不牢？

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