撕出石墨烯的膠帶，究竟有何奧妙？

2010 年的諾貝爾物理學獎授予了一項頗不平常的發現：英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）當作功從石墨平分離出石墨烯，并經由過程嘗試確定了它的性質。

我們都知道，石墨可以算作由一層層的碳原子疊加而來的，這些碳原子層就是石墨烯。因為其厚度只有一個原子，石墨烯被認為具有很多不平常的特點，如極高的強度和杰出的透光性等。但長久以來，科學家們一向苦于無法制備出石墨烯的樣品，人們甚至認為石墨烯只是假設性的布局，不成能真實存在。

然而海姆和諾沃肖洛夫卻將不成能釀成了實際，讓全宿世界為之震動。作為宿世界上最為知名的天然科學類獎勵，諾貝爾獎對于獲獎者的選擇頗為穩重，很多科學家在做出主要發現十幾年甚至幾十年之后才終于有機遇獲得這一殊榮，而海姆和諾沃肖洛夫在2004 年初次分手出石墨烯，6 年后就榮登諾貝爾獎的領獎臺，由此可見這一研究的主要意義。

那么海姆和諾沃肖洛夫是若何分手出石墨烯的呢？他們的方式簡單得令人難以置信：將辦公室常用的膠帶貼到石墨概況，再將膠帶剝離下來，膠帶概況就黏附了一些石墨的碎片。

隨后他們再把新的膠帶按壓到這些石墨碎片的概況然后剝離，反復幾回之后，膠帶概況上就只剩下單層碳原子了。

看起來毫不起眼的膠帶居然幫忙科學家們獲得了頂級學術大獎，這聽起來真的是不成思議。但膠帶確實是我們糊口中不成或缺的一部門。我們用它來給物關心標簽、在墻上張貼通知、密封包裝箱、修補被撕破的冊本頁面，還用醫用膠帶（如創可貼），來幫忙傷口愈合。

膠帶之所以備受人們的青睞，最本家兒要的原因生怕在于它的形式和利用都很是簡單，輕輕在物體概況一按就能粘住，而不需要它們的時辰經常又很輕易就可以剝落下來，在被粘住的物體上幾乎不留一絲陳跡。那么膠帶的感化機制與前面介紹的幾類黏合劑有什么區別呢？

一、最好的固化是沒有固化

所謂膠帶，若是單從外不雅上界說，指的是概況涂有黏合劑的固體載體。為了便于利用，這些固體載體，即凡是所說的基材，一般會選用紙、塑料膜或者布等比力輕薄的材料，涂有膠的基材往往還會被預先裁當作帶狀或者片狀。但現實上，膠帶還可以被分當作兩類，它們看上去相似的外表下其實埋沒著龐大的不同。

第一類膠帶只是簡單地將前面介紹過的幾種黏合劑預先粘在一個物體的概況，用它來黏合另一個物體時，我們仍然需要特心猿意馬的前提來完當作固化。例如之前提到的再濕膠就屬于這一類膠帶，用它粘工具時，必需先用水潤濕膠使其恢復到溶液狀況。還有一種膠帶是預先將熱熔膠涂在物體概況，需要利用時加熱背膠使其熔化，就可以粘住物體。像這樣的膠帶，純真將它們按在物體概況是不會有黏合結果的。

第二類膠帶不需要任何特別前提，純真經由過程按壓就能粘住物體，它們被稱為壓敏膠或者壓敏膠帶。我們見到的大大都膠帶，如透明膠、不干膠標簽和雙面膠，都屬于壓敏膠帶。這么看來，壓敏膠帶的固化機制必心猿意馬是異于其他類型的膠了？猜對了。壓敏膠帶已經把固化“修煉”到了極致—不需要固化。那么不經固化，壓敏膠帶又是若何粘住物體的呢？

在前面提到過用水打濕的兩片紙時，水現實上就是將它們黏合了起來，只不外這種黏合是臨時的，因為水是液體，無法連結自身的外形。若是把一張被水打濕的紙粘在墻上時，水在重力的感化下會逐漸流動分開黏合的區域，從而使黏合的結果消逝。別的，水不僅會流動，也輕易揮發，這也是導致水的黏合感化不克不及持久的一個原因。

若是把水換當作食用油會怎么樣呢？食用油的分子要比水分子大得多，這意味著什么呢？起首，跟著分子的增大，分子間感化力加強，分子變得不輕易揮發—誰也沒傳聞過沾滿油污的盤子放上幾天就能變得清潔；其次，更大的分子凡是流動起來也加倍堅苦，即黏度變大。所以，若是用油取代水去黏合兩片紙，這種黏合感化可以持續得更久。不外即即是食用油，時候長了也會流走，所以我們需要把液體分子變得更大，讓它們流動起來加倍堅苦，高分子材料天然長短常抱負的選擇。

在前面我們提到，有不少高分子材料的熔點或者玻璃化改變溫度低于室溫，是以在室溫下現實上就是處于液體的狀況。然而這些聚合物的分子量動輒幾萬甚至幾十萬，如斯復雜的分子使得這些高分子材料即便處于液態，流動起來仍然很是堅苦。是以若是把兩個物體用這樣的高分子材料毗連起來，獲得的黏合結果可以維持好久。你看，即便沒有固化這一步，我們仍然可以將固體安穩黏合起來，若是將這樣的聚合物涂到固體薄膜的概況，現實上就獲得了壓敏膠帶。

然而隨之而來的是別的一個問題：若是我們將室溫下處于液體的高分子材料涂到物體概況，因為流動性的下降，它們很可能無法在短時候內成立起與物體概況的充實接觸，而這同樣會導致黏合的掉敗。但很顯然，壓敏膠帶可以像其他類型的黏合劑一樣安穩粘住物體，這申明我們擔憂的這種環境并不會發生。那么壓敏膠帶是若何破解這一看起來自相矛盾的場合排場呢？

設想有兩塊很大的互相平行的平板，夾在此中的是水。若是我們用力去平移上面的平板使其按照必然速度移動，而連結下面的平板不動，那么只要流速不太快，與上面平板接觸的水會按照與平板移動速度不異的流速流動，而與下面平板接觸的水則會連結靜止，是以水的流速在兩塊板之間就存在一個梯度，我們稱之為剪切速度。顯然，施加在單元面積平板上的力（稱為剪應力）越大，液體的剪切速度也就越大。但不管用多大的力去推平板，剪應力與剪切速度的比值老是固心猿意馬不變的，這個比值就是水的黏度。像這樣的液體，我們稱之為牛頓流體，它的特點是黏度與剪切速度無關。

液體黏度的界說

但若是把水換當作處于液態的高分子化合物，環境就分歧了。跟著鞭策上面那塊平板的力度的加大，高分子的剪切速度天然也會增大，但若是細心不雅察一下你就會詫異地發現，怎么高分子材料一會兒變得輕易流動了很多？測量成果進一步驗證了你的不雅察：跟著剪切速度的增添，高分子化合物的黏度呈現了較著的下降，這樣的現象被稱為剪切稀化，而具備剪切稀化特征的流體也就被稱為剪切稀化流體，它屬于非牛頓流體這個大師族的一員。顧名思義，非牛頓流體的黏度不再像牛頓流體那樣與剪切速度無關。

牛頓流體與剪切稀化流體的比力

那么為什么高分子材料會表示出剪切稀化的性質呢？若是你煮了一碗便利面，想從中挑出一根面條老是需要費些氣力，因為這根面條很輕易和其他的面條纏在一路。同樣，因為高分子化合物的分子又長又富有柔性，它們彼此之間也會環繞糾纏在一路。這些環繞糾纏的存在使得高分子即便處于液態要想流動也是異常堅苦。但若是供給較高的剪切速度，高分子材料的分子就可以從彼此環繞糾纏中解脫出來，從而以較快的速度流動。

二、這種液體不平常

介紹到這里，相信你已司理解了壓敏膠帶是若何粘住物體的：當我們將壓敏膠帶貼到物體概況并用力按壓時，膠帶概況處于液態的高分子化合物的剪切速度增大，黏度下降，流動性加強，可以充實接觸待黏合的物體概況。而黏合完畢后，膠帶自己的重力不足以供給較高的剪切速度，高分子的黏度急劇增添到流動幾乎可以忽略不計的水平，是以膠帶就可以安穩地貼在物體概況。

當然，即便在較低的剪切速度下，假以時日，液態的高分子仍然可以流動，從而導致膠帶逐漸粘不牢。要想解決這個問題，最簡單的法子是在高分子材猜中引入必然水平的化學或者物理交聯。這樣一來，膠帶從整體上掉去了流動的能力，可是從局部上看，位于交聯點之間的分子鏈條仍然具有流動的能力，是以依然可以或許讓膠帶與被黏合的物體概況充實接觸。事實上，自然橡膠除了用于制造輪胎，也曾經是出產壓敏膠帶的主要原材料。不外近些年來，各類合當作材料異軍突起，終結了自然橡膠在壓敏膠率領域一家獨大的場合排場。

領會了壓敏膠帶的特點，我們也就不難理解為什么壓敏膠帶往往比力輕易從被黏合的物體概況剝離下來而不留陳跡。當被黏合的兩個物體在外力感化下從頭被分隔時，凡是都是整個物件相對最虧弱的處所遭到了粉碎。良多時辰固化后的黏合劑自己的強度要弱于物體，是以斷裂起首發生在這里，斷裂后的兩個物體概況城市殘留一些黏合劑。還有的時辰，黏合劑與此中某個物體接觸的處所起首撐不住，斷裂發生后，一個物體的概況會被黏合劑所籠蓋，另一個物體的概況則比力清潔。若是兩個物體的黏合只是臨時性的，過了一段時候還要把它們分隔，那么后一種斷裂體例顯然是我們更但愿看到的，因為它包管了至少一個物體的概況的干凈。

當我們用壓敏膠帶去黏合物體時，固然剪切稀化效應的存在使得籠蓋在膠帶上的高分子材料的黏度降低，但其流動性生怕仍是比不上溶液型黏合劑、光固化膠或者502 膠等黏度更低的黏合劑，籠蓋固體概況的能力天然不如后者。是以，用壓敏膠帶黏合的物體，膠帶與物體的界面往往要比膠自己虧弱得多，是以，經常不需要用很大的氣力就可以讓斷裂在界面處發生，從而使得膠帶干清潔凈地從物體概況剝離。相反，用前面介紹的幾種膠黏合的物體，固化后的黏合劑與物體的界面并紛歧心猿意馬比黏合劑自己更易斷裂，是以當我們把被黏合的物體分隔時，很難包管物體概況沒有黏合劑的殘留。

黏合被粉碎時可能呈現的幾種環境

（a）黏合劑自己發生斷裂；（b）黏合劑與物體的界面發生斷裂；（c）被黏合的物體發生斷裂

當然，這種比力只是一般性的描述，并不料味著壓敏膠帶就不克不及很安穩地粘住物體，也不料味著粘在物體概況的壓敏膠帶必然就可以很輕易且清潔地撕下來。用于包裝的良多壓敏膠帶強度就半斤八兩高，用它們封裝的紙箱可以承受半斤八兩的重量。當我們用力去撕膠帶時，往往會發生另一種斷裂的景象，那就是膠帶與紙箱概況的毗連沒有被粉碎，反卻是紙板自身先挺不住了。于是撕下來的膠帶上就沾滿了碎紙片，而紙箱也像是被扒了一層皮。若是你但愿反復操縱紙箱和膠帶，這種環境必定很令你頭疼，不外海姆和諾沃肖洛夫這兩位天才卻當作功操縱這一現象打斷了石墨片層之間的毗連，獲得了石墨烯，把壞事情當作了功德。

不外細心的伴侶可能會問這樣一個問題：當我們從物體概況撕下膠帶時，為什么發生斷裂的是膠與物體之間的界面，而不是膠與基材之間的界面呢？這就涉及壓敏膠帶的出產過程了。

三、膠帶是若何出產出來的？

適才我們提到，所謂膠帶就是籠蓋有膠的基材。對于壓敏膠帶來說，膠與基材之間的界面是半斤八兩主要的一個構成部門。當我們從物體概況撕下壓敏膠帶時，凡是是但愿撕失落膠帶后的物體概況可以或許干凈如初，但若是膠與基材的界面不敷安穩，剝離膠帶時，膠就有可能與基材離開，留在物體概況，從而前功盡棄。

那么若何讓膠和基材安穩毗連在一路呢？籠蓋在基材概況的膠半斤八兩于一層涂層，是以若是我們復習一下前面提到的涂層形當作的機制就會意識到，必需包管膠可以或許浸潤基材的概況。對于紙這樣概況能較高、輕易被液體浸潤的基材，這不難做到，但若是選擇概況能較低的塑料作為基材，有些時辰就必需對基材概況進行恰當的處置，提高基材的概況能。

不外即便基材概況的性質合適，若是直接把室溫下處于液態的高分子涂在基材概況，它們固然在較高的剪切速度下可以或許順遂地流動，可是仍然不足以讓膠與基材概況在短時候內形當作充實的接觸，難以在兩者之間成立安穩毗連。是以，需要在出產膠帶過程中設法降低膠的黏度，讓它更快地籠蓋基材的概況。而做到這一點也不難，只需要將前文中介紹過的黏合劑和涂料固化的方式照搬過來就好了。例如，我們可以將高分子材料溶于有機溶劑或者分離在水中，將溶液涂在基材概況，待溶劑揮發后，一層平均的膠就形當作了；我們也可以將單體先涂到基材概況，然后施加光照讓將單體轉化為高分子材料；對于像熱塑彈性體這樣的材料，還可以采納近似熱熔膠的方式，即經由過程升高溫度來讓它更輕易流動。從這個角度看，壓敏膠帶固然在利用時無須固化，出產過程中仍然需要固化這一階段。

好了，此刻我們選擇了合適的基材，也把膠安穩地籠蓋在了基材的概況，膠帶的出產是否就萬事大吉了呢？當然不可。若是直接讓這樣的膠帶出廠，就半斤八兩于將溶液型的黏合劑放在敞口容器里儲存，或者將光固化膠放在透明容器里任憑紫外線的照射，等產物送到顧客手上時，裸露的膠的概況很可能要么吸附了很多塵埃，要么粘上了此外物體，要么兩塊膠帶本身粘在一路，總之產物多半已經廢失落了。是以，在出廠前，膠帶概況必需再施加一層起庇護感化的薄膜，或者直接將它盤繞當作卷，讓這一層膠帶的膠直接貼在上一層膠帶的后背。

有了庇護層，膠帶在儲存過程中不會粘住此外物體，可是需要利用的時辰，庇護層豈不是也很難與膠帶分隔？這個問題解決起來也不難。我們前面提到，黏合劑要想粘住物體，要能浸潤物體概況。反過來，若是我們不想讓黏合劑與物體之間粘的很牢，就需要設法讓它不克不及浸潤物體概況，這可以經由過程在物體概況施加特別的涂層從而降低概況能來實現。例如前文介紹過的硅酮，籠蓋在物體概況后可以或許有用地降低物體的概況能。用這種方式處置過的庇護層，只需要輕輕一撕就可以或許順遂與膠帶分手，涓滴不影響正常利用。

看完上面的介紹，你或許會驚奇，本來看上去毫不起眼的一卷壓敏膠帶，竟然暗藏了這么多的玄機。確實，膠帶的出產看似簡單，其實需要浩繁原材料和一系列復雜加工工序的緊密親密共同才能獲得機能令人對勁的產物。像前面提到的良多手藝一樣，壓敏膠帶降生與成長的背后，也有很多有趣的故事。

四、被壓敏膠帶改變的糊口

壓敏膠帶最早進入公家的視野可以追溯到19 宿世紀40 年月。那時一位名叫霍勒斯·戴（Horace Day）的外科大夫將自然橡膠等原料籠蓋到織物的概況，從而發現了最早的醫用膠帶。19 宿世紀70 年月，強生公司起頭大規模出產醫用膠帶。

到了20 宿世紀20 年月，強生公司一位名叫厄爾·迪克森（Earle Dickson）的棉花采購商在無意間做出了一項改變汗青的發現。厄爾的老婆約瑟芬（Josephine Dickson）是位家庭本家兒配偶，天天忙于籌劃家務，身上被刀劃破口兒是不免的事。每次受傷之后，約瑟芬老是先用紗布籠蓋傷口，再用醫用膠帶把紗布籠蓋住，但這樣很不便利。厄爾靈機一動，將一小塊紗布預先粘在膠帶有膠那一面的中間。這樣，約瑟芬可以直接將膠帶裹在受傷處就可以了。厄爾很稱心識到他的發現不僅讓老婆做家務時加倍便利，還能讓千萬萬萬的人受益，便把它介紹給了本身的上司。于是一種新的壓敏膠帶問宿世了，這就是現在幾乎每個家庭藥箱中都必備的創可貼。

發現創可貼的厄爾·迪克森（1892—1961）和老婆

在厄爾發現創可貼的統一期間，在美國明尼蘇達州，一位名叫理查德·德魯（Richard Drew）年青人拿著幾張砂紙走進一家汽車補綴店。德魯供職于明尼蘇達礦業與制造公司，也就是后來赫赫有名的3M 公司，砂紙是公司那時的本家兒要產物之一。

德魯此行的目標原本是測試和推銷公司的砂紙，卻無意間聽到修車工人的埋怨。那時車身涂有兩種顏色的汽車頗受消費者接待，然而這卻讓汽車制造商和補綴商苦不勝言。因為在將車身某些區域噴涂上一種顏色時，必需將剩下的區域粉飾好以免被油漆玷辱。工人們測驗考試將舊報紙粘在車身概況，這樣固然可以或許有用供給粉飾，但當噴涂完畢時，人們往往需要費很鼎力氣才能將粉飾物移除，并且在移除的過程中，車身概況的涂層往往會受到損壞。那時的德魯對膠可以說全無所聞，但他仍然下決心解決這一困擾修車工人的大問題。顛末幾年的不懈盡力，他終于開辟出了圓滿解決這一問題的壓敏膠帶。

理查德·德魯（1899—1980），美國發現家

德魯最初開辟出的壓敏膠帶在修車行試用時結果不敷抱負，不對勁的修車工人冷笑德魯說：“把這些膠帶拿回到你的蘇格蘭老板那邊，告訴他們多放一點膠！”這里的“蘇格蘭”帶有貶義，指人鄙吝，德魯卻爽性把用作本身產物的名字，這就是日后風行宿世界的Scotch膠帶。

不外德魯的故事到這里還沒有竣事。那時杜邦公司方才推出了一種新產物—基于纖維素的薄膜。這種薄膜簡便、無色透明且不透水，是以得名玻璃紙，很是適合用于食物包裝。一位3M 公司的員工標的目的德魯提議將玻璃紙作為膠帶的基材。此時已經升任公司嘗試室本家兒管的德魯采納了部屬的建議，并立即組織力量進行研究。最初，新產物的研發碰到了很大的堅苦，例如玻璃紙在涂抹膠的過程中輕易卷曲甚至分裂，膠自己帶有顏色，影響玻璃紙無色透明的外不雅，等等。德魯和同事們經由過程改良產物配方和出產工藝，逐漸降服了這些手藝難題。終于，在1930 年，最早的透明壓敏膠帶面宿世了。但合法德魯和同事們籌辦分享當作功的喜悅時，他們卻發現凝集著本身心血的新產物的將來似乎起頭變得黯淡。此中的一個原因是杜邦開辟出了直接密封玻璃紙的工藝，這使得基于玻璃紙的膠帶變得多余。但更主要的原因在于，囊括美國甚至宿世界的大蕭條起頭了。

然而出乎德魯料想的是，當各地的經濟蒙受重創時，他發現的透明膠帶不僅沒有被蕭瑟或遺忘，反而備受接待。幾乎每一天，人們都能為透明膠帶找到新的用途。因為透明膠帶的龐大當作功，3M 公司在一片闌珊中居然敏捷成長強大，當作為大蕭條時代少數幾家沒有裁人的公司。因為不少顧客埋怨當作卷的膠帶很難利用，1932 年，3M 公司一位名叫約翰·博登（John Borden）的發賣司理發現了此刻普遍利用的膠紙座。膠紙座將膠帶固心猿意馬在一頭，然后經由過程另一頭的尖銳的鋸齒堵截膠帶，利用起來很是便利。有了膠紙座，壓敏膠帶更當作為人們日常糊口中必不成少的構成部門了。

光陰飛逝，轉眼到了20 宿世紀60 年月。3M 公司的斯潘塞·西爾弗（Spencer Silver）博士受命開辟新的可以或許用于壓敏膠帶的高分子材料，但測試成果令他大掉所望：公司但愿新的材料可以或許安穩粘住物體，而他開辟出的材料黏合結果卻很差，輕輕一撕就會從物體概況剝落。

不甘愿寧可就此拋卻的西爾弗測驗考試為本身的發現找到其他用途。幾年后的一天，他碰到公司同事阿特·弗賴（Art Fry）。弗賴每周都要加入教匯合唱團的勾當，勾當竣事時他會把紙質書簽夾在曲譜頂用來標識表記標幟下一次要唱的曲目。然而這些書簽經常會移動位置甚至不知去向，這讓他大感未便。聽完西爾弗的介紹，弗賴俄然想到，若是把這種新材料涂在書簽后背，那么書簽就可以安穩地待在特心猿意馬的位置，而用完之后又可以便利地移走，不會在頁面上留下任何陳跡。兩人一拍即合，很快起頭了嘗試。1980 年，兩人的合作結出了果實，一種新的產物呈現在美國的商鋪里，它就是現在人們耳熟能詳的便當貼。便當貼的正面可以書寫，后背的膠條使得它可以很輕易地貼在各類概況，不需要時又可以便利地取走。現在遍布墻上和桌上的便當貼不僅當作為辦公室一道亮麗的風光，還極大地改變了人們思慮與交流的體例。