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撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

看起来毫不起眼的胶带居然帮助科学家们获得了顶级学术大奖,这听起来真的是不可思议。但胶带确实是我们生活中不可或缺的一部分。我们用它来给物体贴标签、在墙上张贴通知、密封包装箱、修补被撕破的书籍页面,还用医用胶带(如创可贴),来帮助伤口愈合。那么胶带的作用机制与前面介绍的几类黏合剂有什么区别呢?

2010 年的诺贝尔物理学奖授予了一项颇不寻常的发现:英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功从石墨中分离出石墨烯,并通过实验确定了它的性质。

撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

我们都知道,石墨可以看成由一层层的碳原子叠加而来的,这些碳原子层就是石墨烯。由于其厚度只有一个原子,石墨烯被认为具有许多不寻常的特点,如极高的强度和良好的透光性等。但长久以来,科学家们一直苦于无法制备出石墨烯的样品,人们甚至认为石墨烯只是假设性的结构,不可能真实存在。

然而海姆和诺沃肖洛夫却将不可能变成了现实,让全世界为之震动。作为世界上最为知名的自然科学类奖励,诺贝尔奖对于获奖者的选择颇为慎重,许多科学家在做出重要发现十几年甚至几十年之后才终于有机会获得这一殊荣,而海姆和诺沃肖洛夫在2004 年首次分离出石墨烯,6 年后就荣登诺贝尔奖的领奖台,由此可见这一研究的重要意义。

撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

那么海姆和诺沃肖洛夫是如何分离出石墨烯的呢?他们的方法简单得令人难以置信:将办公室常用的胶带贴到石墨表面,再将胶带剥离下来,胶带表面就黏附了一些石墨的碎片。随后他们再把新的胶带按压到这些石墨碎片的表面然后剥离,重复几次之后,胶带表面上就只剩下单层碳原子了。

撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

看起来毫不起眼的胶带居然帮助科学家们获得了顶级学术大奖,这听起来真的是不可思议。但胶带确实是我们生活中不可或缺的一部分。我们用它来给物体贴标签、在墙上张贴通知、密封包装箱、修补被撕破的书籍页面,还用医用胶带(如创可贴),来帮助伤口愈合。胶带之所以备受人们的青睐,最主要的原因恐怕在于它的形式和使用都非常简单,轻轻在物体表面一按就能粘住,而不需要它们的时候常常又很容易就可以剥落下来,在被粘住的物体上几乎不留一丝痕迹。那么胶带的作用机制与前面介绍的几类黏合剂有什么区别呢?

一、最好的固化是没有固化

所谓胶带,如果单从外观上定义,指的是表面涂有黏合剂的固体载体。为了便于使用,这些固体载体,即通常所说的基材,一般会选用纸、塑料膜或者布等比较轻薄的材料,涂有胶的基材往往还会被预先裁成带状或者片状。但实际上,胶带还可以被分成两类,它们看上去相似的外表下其实隐藏着巨大的差别。

第一类胶带只是简单地将前面介绍过的几种黏合剂预先粘在一个物体的表面,用它来黏合另一个物体时,我们仍然需要特定的条件来完成固化。例如之前提到的再湿胶就属于这一类胶带,用它粘东西时,必须先用水润湿胶使其恢复到溶液状态。还有一种胶带是预先将热熔胶涂在物体表面,需要使用时加热背胶使其熔化,就可以粘住物体。像这样的胶带,单纯将它们按在物体表面是不会有黏合效果的。

第二类胶带不需要任何特殊条件,单纯通过按压就能粘住物体,它们被称为压敏胶或者压敏胶带。我们见到的大多数胶带,如透明胶、不干胶标签和双面胶,都属于压敏胶带。这么看来,压敏胶带的固化机制必定是异于其他类型的胶了?猜对了。压敏胶带已经把固化“修炼”到了极致—不需要固化。那么不经固化,压敏胶带又是如何粘住物体的呢?

在前面提到过用水打湿的两片纸时,水实际上就是将它们黏合了起来,只不过这种黏合是暂时的,因为水是液体,无法保持自身的形状。如果把一张被水打湿的纸粘在墙上时,水在重力的作用下会逐渐流动离开黏合的区域,从而使黏合的效果消失。另外,水不仅会流动,也容易挥发,这也是导致水的黏合作用不能持久的一个原因。

如果把水换成食用油会怎么样呢?食用油的分子要比水分子大得多,这意味着什么呢?首先,随着分子的增大,分子间作用力增强,分子变得不容易挥发—谁也没听说过沾满油污的盘子放上几天就能变得干净;其次,更大的分子通常流动起来也更加困难,即黏度变大。所以,如果用油代替水去黏合两片纸,这种黏合作用可以持续得更久。不过即便是食用油,时间长了也会流走,所以我们需要把液体分子变得更大,让它们流动起来更加困难,高分子材料自然是非常理想的选择。

在前面我们提到,有不少高分子材料的熔点或者玻璃化转变温度低于室温,因此在室温下实际上就是处于液体的状态。然而这些聚合物的分子量动辄几万甚至几十万,如此庞大的分子使得这些高分子材料即便处于液态,流动起来仍然非常困难。因此如果把两个物体用这样的高分子材料连接起来,得到的黏合效果可以维持很久。你看,即便没有固化这一步,我们仍然可以将固体牢固黏合起来,如果将这样的聚合物涂到固体薄膜的表面,实际上就得到了压敏胶带。

然而随之而来的是另外一个问题:如果我们将室温下处于液体的高分子材料涂到物体表面,由于流动性的下降,它们很可能无法在短时间内建立起与物体表面的充分接触,而这同样会导致黏合的失败。但很显然,压敏胶带可以像其他类型的黏合剂一样牢固粘住物体,这说明我们担心的这种情况并不会发生。那么压敏胶带是如何破解这一看起来自相矛盾的局面呢?

设想有两块很大的互相平行的平板,夹在其中的是水。如果我们用力去平移上面的平板使其按照一定速度移动,而保持下面的平板不动,那么只要流速不太快,与上面平板接触的水会按照与平板移动速度相同的流速流动,而与下面平板接触的水则会保持静止,因此水的流速在两块板之间就存在一个梯度,我们称之为剪切速率。显然,施加在单位面积平板上的力(称为剪应力)越大,液体的剪切速率也就越大。但不管用多大的力去推平板,剪应力与剪切速率的比值总是固定不变的,这个比值就是水的黏度。像这样的液体,我们称之为牛顿流体,它的特点是黏度与剪切速率无关。

撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

液体黏度的定义

但如果把水换成处于液态的高分子化合物,情况就不同了。随着推动上面那块平板的力度的加大,高分子的剪切速率自然也会增大,但如果仔细观察一下你就会惊奇地发现,怎么高分子材料一下子变得容易流动了许多?测量结果进一步验证了你的观察:随着剪切速率的增加,高分子化合物的黏度出现了明显的下降,这样的现象被称为剪切稀化,而具备剪切稀化特性的流体也就被称为剪切稀化流体,它属于非牛顿流体这个大家族的一员。顾名思义,非牛顿流体的黏度不再像牛顿流体那样与剪切速率无关。

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牛顿流体与剪切稀化流体的比较

那么为什么高分子材料会表现出剪切稀化的性质呢?如果你煮了一碗方便面,想从中挑出一根面条总是需要费些力气,因为这根面条很容易和其他的面条缠在一起。同样,由于高分子化合物的分子又长又富有柔性,它们彼此之间也会缠绕在一起。这些缠绕的存在使得高分子即便处于液态要想流动也是异常困难。但如果提供较高的剪切速率,高分子材料的分子就可以从彼此缠绕中解脱出来,从而以较快的速度流动。

(未完待续)

撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)

本文节选自作者所著《塑料的世界》一书,科学出版社2019年5月出版(https://item.jd.com/12530277.html)

本文来自科学公园,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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