撕出石墨烯的胶带，究竟有何奥妙？

2010 年的诺贝尔物理学奖授予了一项颇不平常的发现：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）当作功从石墨平分离出石墨烯，并经由过程尝试确定了它的性质。

我们都知道，石墨可以算作由一层层的碳原子叠加而来的，这些碳原子层就是石墨烯。因为其厚度只有一个原子，石墨烯被认为具有很多不平常的特点，如极高的强度和杰出的透光性等。但长久以来，科学家们一向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布局，不成能真实存在。

然而海姆和诺沃肖洛夫却将不成能酿成了实际，让全宿世界为之震动。作为宿世界上最为知名的天然科学类奖励，诺贝尔奖对于获奖者的选择颇为稳重，很多科学家在做出主要发现十几年甚至几十年之后才终于有机遇获得这一殊荣，而海姆和诺沃肖洛夫在2004 年初次分手出石墨烯，6 年后就荣登诺贝尔奖的领奖台，由此可见这一研究的主要意义。

那么海姆和诺沃肖洛夫是若何分手出石墨烯的呢？他们的方式简单得令人难以置信：将办公室常用的胶带贴到石墨概况，再将胶带剥离下来，胶带概况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概况然后剥离，反复几回之后，胶带概况上就只剩下单层碳原子了。

看起来毫不起眼的胶带居然帮忙科学家们获得了顶级学术大奖，这听起来真的是不成思议。但胶带确实是我们糊口中不成或缺的一部门。我们用它来给物关心标签、在墙上张贴通知、密封包装箱、修补被撕破的册本页面，还用医用胶带（如创可贴），来帮忙伤口愈合。

胶带之所以备受人们的青睐，最本家儿要的原因生怕在于它的形式和利用都很是简单，轻轻在物体概况一按就能粘住，而不需要它们的时辰经常又很轻易就可以剥落下来，在被粘住的物体上几乎不留一丝陈迹。那么胶带的感化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，若是单从外不雅上界说，指的是概况涂有黏合剂的固体载体。为了便于利用，这些固体载体，即凡是所说的基材，一般会选用纸、塑料膜或者布等比力轻薄的材料，涂有胶的基材往往还会被预先裁当作带状或者片状。但现实上，胶带还可以被分当作两类，它们看上去相似的外表下其实埋没着庞大的不同。

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概况，用它来黏合另一个物体时，我们仍然需要特心猿意马的前提来完当作固化。例如之前提到的再湿胶就属于这一类胶带，用它粘工具时，必需先用水润湿胶使其恢复到溶液状况。还有一种胶带是预先将热熔胶涂在物体概况，需要利用时加热背胶使其熔化，就可以粘住物体。像这样的胶带，纯真将它们按在物体概况是不会有黏合结果的。

第二类胶带不需要任何特别前提，纯真经由过程按压就能粘住物体，它们被称为压敏胶或者压敏胶带。我们见到的大大都胶带，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心猿意马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，压敏胶带又是若何粘住物体的呢？

在前面提到过用水打湿的两片纸时，水现实上就是将它们黏合了起来，只不外这种黏合是临时的，因为水是液体，无法连结自身的外形。若是把一张被水打湿的纸粘在墙上时，水在重力的感化下会逐渐流动分开黏合的区域，从而使黏合的结果消逝。别的，水不仅会流动，也轻易挥发，这也是导致水的黏合感化不克不及持久的一个原因。

若是把水换当作食用油会怎么样呢？食用油的分子要比水分子大得多，这意味着什么呢？起首，跟着分子的增大，分子间感化力加强，分子变得不轻易挥发—谁也没传闻过沾满油污的盘子放上几天就能变得清洁；其次，更大的分子凡是流动起来也加倍坚苦，即黏度变大。所以，若是用油取代水去黏合两片纸，这种黏合感化可以持续得更久。不外即即是食用油，时候长了也会流走，所以我们需要把液体分子变得更大，让它们流动起来加倍坚苦，高分子材料天然长短常抱负的选择。

在前面我们提到，有不少高分子材料的熔点或者玻璃化改变温度低于室温，是以在室温下现实上就是处于液体的状况。然而这些聚合物的分子量动辄几万甚至几十万，如斯复杂的分子使得这些高分子材料即便处于液态，流动起来仍然很是坚苦。是以若是把两个物体用这样的高分子材料毗连起来，获得的黏合结果可以维持好久。你看，即便没有固化这一步，我们仍然可以将固体安稳黏合起来，若是将这样的聚合物涂到固体薄膜的概况，现实上就获得了压敏胶带。

然而随之而来的是别的一个问题：若是我们将室温下处于液体的高分子材料涂到物体概况，因为流动性的下降，它们很可能无法在短时候内成立起与物体概况的充实接触，而这同样会导致黏合的掉败。但很显然，压敏胶带可以像其他类型的黏合剂一样安稳粘住物体，这申明我们担忧的这种环境并不会发生。那么压敏胶带是若何破解这一看起来自相矛盾的场合排场呢？

设想有两块很大的互相平行的平板，夹在此中的是水。若是我们用力去平移上面的平板使其按照必然速度移动，而连结下面的平板不动，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不异的流速流动，而与下面平板接触的水则会连结静止，是以水的流速在两块板之间就存在一个梯度，我们称之为剪切速度。显然，施加在单元面积平板上的力（称为剪应力）越大，液体的剪切速度也就越大。但不管用多大的力去推平板，剪应力与剪切速度的比值老是固心猿意马不变的，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度无关。

液体黏度的界说

但若是把水换当作处于液态的高分子化合物，环境就分歧了。跟着鞭策上面那块平板的力度的加大，高分子的剪切速度天然也会增大，但若是细心不雅察一下你就会诧异地发现，怎么高分子材料一会儿变得轻易流动了很多？测量成果进一步验证了你的不雅察：跟着剪切速度的增添，高分子化合物的黏度呈现了较着的下降，这样的现象被称为剪切稀化，而具备剪切稀化特征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师族的一员。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度无关。

牛顿流体与剪切稀化流体的比力

那么为什么高分子材料会表示出剪切稀化的性质呢？若是你煮了一碗便利面，想从中挑出一根面条老是需要费些气力，因为这根面条很轻易和其他的面条缠在一路。同样，因为高分子化合物的分子又长又富有柔性，它们彼此之间也会环绕纠缠在一路。这些环绕纠缠的存在使得高分子即便处于液态要想流动也是异常坚苦。但若是供给较高的剪切速度，高分子材料的分子就可以从彼此环绕纠缠中解脱出来，从而以较快的速度流动。

二、这种液体不平常

介绍到这里，相信你已司理解了压敏胶带是若何粘住物体的：当我们将压敏胶带贴到物体概况并用力按压时，胶带概况处于液态的高分子化合物的剪切速度增大，黏度下降，流动性加强，可以充实接触待黏合的物体概况。而黏合完毕后，胶带自己的重力不足以供给较高的剪切速度，高分子的黏度急剧增添到流动几乎可以忽略不计的水平，是以胶带就可以安稳地贴在物体概况。

当然，即便在较低的剪切速度下，假以时日，液态的高分子仍然可以流动，从而导致胶带逐渐粘不牢。要想解决这个问题，最简单的法子是在高分子材猜中引入必然水平的化学或者物理交联。这样一来，胶带从整体上掉去了流动的能力，可是从局部上看，位于交联点之间的分子链条仍然具有流动的能力，是以依然可以或许让胶带与被黏合的物体概况充实接触。事实上，自然橡胶除了用于制造轮胎，也曾经是出产压敏胶带的主要原材料。不外近些年来，各类合当作材料异军突起，终结了自然橡胶在压敏胶率领域一家独大的场合排场。

领会了压敏胶带的特点，我们也就不难理解为什么压敏胶带往往比力轻易从被黏合的物体概况剥离下来而不留陈迹。当被黏合的两个物体在外力感化下从头被分隔时，凡是都是整个物件相对最亏弱的处所遭到了粉碎。良多时辰固化后的黏合剂自己的强度要弱于物体，是以断裂起首发生在这里，断裂后的两个物体概况城市残留一些黏合剂。还有的时辰，黏合剂与此中某个物体接触的处所起首撑不住，断裂发生后，一个物体的概况会被黏合剂所笼盖，另一个物体的概况则比力清洁。若是两个物体的黏合只是临时性的，过了一段时候还要把它们分隔，那么后一种断裂体例显然是我们更但愿看到的，因为它包管了至少一个物体的概况的干净。

当我们用压敏胶带去黏合物体时，固然剪切稀化效应的存在使得笼盖在胶带上的高分子材料的黏度降低，但其流动性生怕仍是比不上溶液型黏合剂、光固化胶或者502 胶等黏度更低的黏合剂，笼盖固体概况的能力天然不如后者。是以，用压敏胶带黏合的物体，胶带与物体的界面往往要比胶自己亏弱得多，是以，经常不需要用很大的气力就可以让断裂在界面处发生，从而使得胶带干清洁净地从物体概况剥离。相反，用前面介绍的几种胶黏合的物体，固化后的黏合剂与物体的界面并纷歧心猿意马比黏合剂自己更易断裂，是以当我们把被黏合的物体分隔时，很难包管物体概况没有黏合剂的残留。

黏合被粉碎时可能呈现的几种环境

（a）黏合剂自己发生断裂；（b）黏合剂与物体的界面发生断裂；（c）被黏合的物体发生断裂

当然，这种比力只是一般性的描述，并不料味着压敏胶带就不克不及很安稳地粘住物体，也不料味着粘在物体概况的压敏胶带必然就可以很轻易且清洁地撕下来。用于包装的良多压敏胶带强度就半斤八两高，用它们封装的纸箱可以承受半斤八两的重量。当我们用力去撕胶带时，往往会发生另一种断裂的景象，那就是胶带与纸箱概况的毗连没有被粉碎，反却是纸板自身先挺不住了。于是撕下来的胶带上就沾满了碎纸片，而纸箱也像是被扒了一层皮。若是你但愿反复操纵纸箱和胶带，这种环境必定很令你头疼，不外海姆和诺沃肖洛夫这两位天才却当作功操纵这一现象打断了石墨片层之间的毗连，获得了石墨烯，把坏事情当作了功德。

不外细心的伴侣可能会问这样一个问题：当我们从物体概况撕下胶带时，为什么发生断裂的是胶与物体之间的界面，而不是胶与基材之间的界面呢？这就涉及压敏胶带的出产过程了。

三、胶带是若何出产出来的？

适才我们提到，所谓胶带就是笼盖有胶的基材。对于压敏胶带来说，胶与基材之间的界面是半斤八两主要的一个构成部门。当我们从物体概况撕下压敏胶带时，凡是是但愿撕失落胶带后的物体概况可以或许干净如初，但若是胶与基材的界面不敷安稳，剥离胶带时，胶就有可能与基材离开，留在物体概况，从而前功尽弃。

那么若何让胶和基材安稳毗连在一路呢？笼盖在基材概况的胶半斤八两于一层涂层，是以若是我们复习一下前面提到的涂层形当作的机制就会意识到，必需包管胶可以或许浸润基材的概况。对于纸这样概况能较高、轻易被液体浸润的基材，这不难做到，但若是选择概况能较低的塑料作为基材，有些时辰就必需对基材概况进行恰当的处置，提高基材的概况能。

不外即便基材概况的性质合适，若是直接把室温下处于液态的高分子涂在基材概况，它们固然在较高的剪切速度下可以或许顺遂地流动，可是仍然不足以让胶与基材概况在短时候内形当作充实的接触，难以在两者之间成立安稳毗连。是以，需要在出产胶带过程中设法降低胶的黏度，让它更快地笼盖基材的概况。而做到这一点也不难，只需要将前文中介绍过的黏合剂和涂料固化的方式照搬过来就好了。例如，我们可以将高分子材料溶于有机溶剂或者分离在水中，将溶液涂在基材概况，待溶剂挥发后，一层平均的胶就形当作了；我们也可以将单体先涂到基材概况，然后施加光照让将单体转化为高分子材料；对于像热塑弹性体这样的材料，还可以采纳近似热熔胶的方式，即经由过程升高温度来让它更轻易流动。从这个角度看，压敏胶带固然在利用时无须固化，出产过程中仍然需要固化这一阶段。

好了，此刻我们选择了合适的基材，也把胶安稳地笼盖在了基材的概况，胶带的出产是否就万事大吉了呢？当然不可。若是直接让这样的胶带出厂，就半斤八两于将溶液型的黏合剂放在敞口容器里储存，或者将光固化胶放在透明容器里任凭紫外线的照射，等产物送到顾客手上时，裸露的胶的概况很可能要么吸附了很多尘埃，要么粘上了此外物体，要么两块胶带本身粘在一路，总之产物多半已经废失落了。是以，在出厂前，胶带概况必需再施加一层起庇护感化的薄膜，或者直接将它盘绕当作卷，让这一层胶带的胶直接贴在上一层胶带的后背。

有了庇护层，胶带在储存过程中不会粘住此外物体，可是需要利用的时辰，庇护层岂不是也很难与胶带分隔？这个问题解决起来也不难。我们前面提到，黏合剂要想粘住物体，要能浸润物体概况。反过来，若是我们不想让黏合剂与物体之间粘的很牢，就需要设法让它不克不及浸润物体概况，这可以经由过程在物体概况施加特别的涂层从而降低概况能来实现。例如前文介绍过的硅酮，笼盖在物体概况后可以或许有用地降低物体的概况能。用这种方式处置过的庇护层，只需要轻轻一撕就可以或许顺遂与胶带分手，涓滴不影响正常利用。

看完上面的介绍，你或许会惊奇，本来看上去毫不起眼的一卷压敏胶带，竟然暗藏了这么多的玄机。确实，胶带的出产看似简单，其实需要浩繁原材料和一系列复杂加工工序的紧密亲密共同才能获得机能令人对劲的产物。像前面提到的良多手艺一样，压敏胶带降生与成长的背后，也有很多有趣的故事。

四、被压敏胶带改变的糊口

压敏胶带最早进入公家的视野可以追溯到19 宿世纪40 年月。那时一位名叫霍勒斯·戴（Horace Day）的外科大夫将自然橡胶等原料笼盖到织物的概况，从而发现了最早的医用胶带。19 宿世纪70 年月，强生公司起头大规模出产医用胶带。

到了20 宿世纪20 年月，强生公司一位名叫厄尔·迪克森（Earle Dickson）的棉花采购商在无意间做出了一项改变汗青的发现。厄尔的老婆约瑟芬（Josephine Dickson）是位家庭本家儿配偶，天天忙于筹划家务，身上被刀划破口儿是不免的事。每次受伤之后，约瑟芬老是先用纱布笼盖伤口，再用医用胶带把纱布笼盖住，但这样很不便利。厄尔灵机一动，将一小块纱布预先粘在胶带有胶那一面的中间。这样，约瑟芬可以直接将胶带裹在受伤处就可以了。厄尔很称心识到他的发现不仅让老婆做家务时加倍便利，还能让千万万万的人受益，便把它介绍给了本身的上司。于是一种新的压敏胶带问宿世了，这就是现在几乎每个家庭药箱中都必备的创可贴。

发现创可贴的厄尔·迪克森（1892—1961）和老婆

在厄尔发现创可贴的统一期间，在美国明尼苏达州，一位名叫理查德·德鲁（Richard Drew）年青人拿着几张砂纸走进一家汽车补缀店。德鲁供职于明尼苏达矿业与制造公司，也就是后来赫赫有名的3M 公司，砂纸是公司那时的本家儿要产物之一。

德鲁此行的目标原本是测试和推销公司的砂纸，却无意间听到修车工人的埋怨。那时车身涂有两种颜色的汽车颇受消费者接待，然而这却让汽车制造商和补缀商苦不胜言。因为在将车身某些区域喷涂上一种颜色时，必需将剩下的区域粉饰好以免被油漆玷辱。工人们测验考试将旧报纸粘在车身概况，这样固然可以或许有用供给粉饰，但当喷涂完毕时，人们往往需要费很鼎力气才能将粉饰物移除，并且在移除的过程中，车身概况的涂层往往会受到损坏。那时的德鲁对胶可以说全无所闻，但他仍然下决心解决这一困扰修车工人的大问题。颠末几年的不懈尽力，他终于开辟出了圆满解决这一问题的压敏胶带。

理查德·德鲁（1899—1980），美国发现家

德鲁最初开辟出的压敏胶带在修车行试用时结果不敷抱负，不对劲的修车工人冷笑德鲁说：“把这些胶带拿回到你的苏格兰老板那边，告诉他们多放一点胶！”这里的“苏格兰”带有贬义，指人鄙吝，德鲁却爽性把用作本身产物的名字，这就是日后风行宿世界的Scotch胶带。

不外德鲁的故事到这里还没有竣事。那时杜邦公司方才推出了一种新产物—基于纤维素的薄膜。这种薄膜简便、无色透明且不透水，是以得名玻璃纸，很是适合用于食物包装。一位3M 公司的员工标的目的德鲁提议将玻璃纸作为胶带的基材。此时已经升任公司尝试室本家儿管的德鲁采纳了部属的建议，并立即组织力量进行研究。最初，新产物的研发碰到了很大的坚苦，例如玻璃纸在涂抹胶的过程中轻易卷曲甚至分裂，胶自己带有颜色，影响玻璃纸无色透明的外不雅，等等。德鲁和同事们经由过程改良产物配方和出产工艺，逐渐降服了这些手艺难题。终于，在1930 年，最早的透明压敏胶带面宿世了。但合法德鲁和同事们筹办分享当作功的喜悦时，他们却发现凝集着本身心血的新产物的将来似乎起头变得黯淡。此中的一个原因是杜邦开辟出了直接密封玻璃纸的工艺，这使得基于玻璃纸的胶带变得多余。但更主要的原因在于，囊括美国甚至宿世界的大萧条起头了。

然而出乎德鲁料想的是，当各地的经济蒙受重创时，他发现的透明胶带不仅没有被萧瑟或遗忘，反而备受接待。几乎每一天，人们都能为透明胶带找到新的用途。因为透明胶带的庞大当作功，3M 公司在一片阑珊中居然敏捷成长强大，当作为大萧条时代少数几家没有裁人的公司。因为不少顾客埋怨当作卷的胶带很难利用，1932 年，3M 公司一位名叫约翰·博登（John Borden）的发卖司理发现了此刻普遍利用的胶纸座。胶纸座将胶带固心猿意马在一头，然后经由过程另一头的尖锐的锯齿堵截胶带，利用起来很是便利。有了胶纸座，压敏胶带更当作为人们日常糊口中必不成少的构成部门了。

光阴飞逝，转眼到了20 宿世纪60 年月。3M 公司的斯潘塞·西尔弗（Spencer Silver）博士受命开辟新的可以或许用于压敏胶带的高分子材料，但测试成果令他大掉所望：公司但愿新的材料可以或许安稳粘住物体，而他开辟出的材料黏合结果却很差，轻轻一撕就会从物体概况剥落。

不甘愿宁可就此抛却的西尔弗测验考试为本身的发现找到其他用途。几年后的一天，他碰到公司同事阿特·弗赖（Art Fry）。弗赖每周都要加入教汇合唱团的勾当，勾当竣事时他会把纸质书签夹在曲谱顶用来标识表记标帜下一次要唱的曲目。然而这些书签经常会移动位置甚至不知去向，这让他大感未便。听完西尔弗的介绍，弗赖俄然想到，若是把这种新材料涂在书签后背，那么书签就可以安稳地待在特心猿意马的位置，而用完之后又可以便利地移走，不会在页面上留下任何陈迹。两人一拍即合，很快起头了尝试。1980 年，两人的合作结出了果实，一种新的产物呈现在美国的商铺里，它就是现在人们耳熟能详的便当贴。便当贴的正面可以书写，后背的胶条使得它可以很轻易地贴在各类概况，不需要时又可以便利地取走。现在遍布墙上和桌上的便当贴不仅当作为办公室一道亮丽的风光，还极大地改变了人们思虑与交流的体例。