蜘蛛俠的蛛絲能粘住不粘鍋嗎？_風聞

原創：中科院物理所

前幾天小編在吃火鍋的時候

由於手殘夾筷不穩

導致食材貼到了火熱的銅鍋上面

然後就發現食材緊緊地貼在銅鍋上

即使將蘑菇揪下來

也會明顯感到蘑菇和銅鍋之間極強的粘附力

這不禁引發了小編的思考

蘑菇或肉為什麼會粘在銅鍋上呢？

或者炒菜時粘鍋到底是什麼原因呢？

為什麼不粘鍋就不會粘鍋呢？（我擱這擱這呢）

其他物體之間的粘貼也是同樣的原理嗎？

就讓我們一起來探究一下吧！

貼貼需要吸引力

兩個物體之所以能夠緊緊粘貼在一起，是因為二者之間存在吸引力。作為生活常識，我們當然知道這個吸引力不可能是萬有引力。這是因為萬有引力太弱了。

為了直觀説明這一點，我們可以比較一下一對正負離子之間的庫侖吸引力（電磁相互作用）和它們之間萬有引力的大小。

庫侖吸引力大小為：

萬有引力的大小為：

庫侖力與萬有引力的比值為：

其中庫侖常數k=8.89x109Nm2/C2，引力常數G=6.67x10-11Nm2/kg2我們又知道，質子的荷質比約為108C/kg。

而離子一般所帶的電荷量為數個元電荷，離子的質量一般為數個到數十個質子的質量。所以通過計算可以知道，離子間的庫侖力的大小約為萬有引力大小的1036倍。

除了萬有引力的電磁相互作用力以外，自然界中還存在兩種基本相互作用力，即弱相互作用力和強相互作用力，但是這兩種裏只存在於原子核內部。

所以我們可以知道，宏觀物體之間貼貼的吸引力的本質是物體內部原子之間的電磁吸引力。

雖然原子之間相互作用力的本質是一樣的，都是庫侖力，但是我們依然可以對不同的相互作用形式對其進行分類。

首先正負離子之間可以通過直接的庫侖吸引力形成離子性結合（也就是形成離子化學鍵），以此形成的晶體被稱為離子晶體。

比如食鹽晶體就是由Na+離子和Cl-離子相間排列形成。

食鹽晶體結構 來源：[1]

為什麼正負離子相互吸引就可以形成穩定的結構呢？

我們可以想象這樣的場景：兩個離子初始處在相隔無窮遠處的地方，此時兩個離子所具有的總能量為E1。二者之間的吸引力也因為相聚無窮遠而為0。

這時將其中一個離子從無窮遠處緩慢地移動到另一個原子附近。在移動過程中，二者之間就存在吸引力。，為了保證“緩慢”的過程，就意味着在移動離子的過程中要保證離子時時刻刻處於靜止狀態，所以它不會被加速，也就是受到的合力為零。

也就是説我們施加了一個外力，在全部過程中，外力做功為：

由於E1+W=E2，所以末態體系的能量E2<E1，由於體系的能量變小了，所以更加穩定了。所以凡是通過吸引力結合在一起的體系，比不結合之前的能量總是要更小的，也更穩定。

除了離子結合之外，有些原子不會形成離子。這時它們就會通過共價結合的方式相互吸引。共價結合就是兩個原子共享對方的電子，形成共價鍵。

比如兩個氫原子各貢獻一個電子，結合成氫分子。在兩個原子相互靠近的過程中，軌道波函數發生交疊，使得總的軌道能量降低，從而可以形成更穩定的結構。

軌道波函數交疊導致軌道總能量降低，來源：[2]

對於金屬來説，其內部的電子可以在整個晶體內作公有化運動，形成瀰漫整個晶體的電子雲。所以相互作用情況為帶負電的電子雲與帶正電的離子實的相互作用，這就是金屬性結合。

所以體積越小整個體系的庫侖能就越低。表現出把所有原子聚集在一起的效果，這就意味着對原子的排列沒有特別的要求，只對體積有要求，所以金屬一般就很容易進行延展。

當然金屬的體積也不可能無限地小下去，這是因為體積更小導致離子實之間排斥力增大時就會無法再進行壓縮。

除了原子之外，物體間的分子會通過範德瓦爾斯吸引力結合（或稱範德華力）。對於分子來説，若其正負電荷中心不重合，則是極性分子。正負電荷中心重合的就是無極性分子。

所以有極性的分子之間會因為極性的存在產生吸引相互作用。而無極性的分子在靠近極性分子或者互相靠近時，則由於原子之間的吸引力促使正負電荷中心發生偏移而感應出極性，從而產生分子間的吸引力。

分子間吸引勢能隨分子間距離的變化：雷納-瓊斯勢 來源：[1]

從上面的討論我們可以知道，物體粘貼在一起可以通過表面原子或分子間的吸引力形成粘附力。也就是可以通過化學鍵、範德華力、靜電吸引、擴散等方式粘貼在一起。

膠黏劑的秘密

在日常生活中我們都知道，實現物體的粘貼也不是那麼直接的。需要使用一些工具比如膠帶、膠水，甚至口水也可以促進粘貼。這其實就是用到了所謂的膠黏劑的輔助（或者稱粘合劑）。

膠黏劑是一種可以將固體材料表面粘貼在一起的媒介物。

它工作的基本機理是，滲透到材料表面的空隙中，這個過程也會排除掉界面上吸附的空氣。膠黏劑與固體表面通過化學鍵和範德華力作用產生粘接力，從而產生粘接效果。

首先是聚合物粘合劑，它包括聚氨酯、環氧、丙烯酸和聚氯乙烯等材料，當它被塗到物體表面時，由於表面張力的存在，聚合物粘合劑就會“浸潤”在物體表面。

隨後通過化學反應實現固化，在物體表面形成堅硬的聚合物，從而將兩個表面牢固地粘在一起。

例如，環氧樹脂粘合劑使用環氧基團（有兩個相鄰的氧原子）和胺基團（有一個或多個氨基原子）之間的反應來固化[3]。

常見環氧樹脂的基本化學結構 來源：[3]

聚合物粘合劑可以應用於汽車製造、航空航天和建築等領域。相比於傳統的機械連接，聚合物粘合劑可以更均勻地分佈載荷，並提供更好的抗腐蝕性和密封性。

也可以將聚合物製成溶液粘合劑，比如膠水。使用溶液粘合劑時要將其塗敷在要粘合的表面上，通過乾燥過程，水分會揮發，聚合物分子會彼此結合形成交錯的網狀結構，這種結構會在材料表面形成牢固的結合。

除此之外，對於比如丙烯酸粘合劑，其中的單體分子會在加熱或紫外線照射的條件下形成高分子聚合物。這種聚合物具有更強的結合力，可以在較短時間內形成更牢固的粘合[4]。

除此之外還有動物膠粘合劑，它的原理是利用動物組織（如骨頭、角、皮革、魚鱗等）中的膠原蛋白質，經過化學處理使其成為可溶性的膠原蛋白。同時加入適當的配方、調 pH 值後使其形成一種粘性液體。

將其塗抹在需要粘合的物體表面，待其乾燥後，膠原蛋白分子會互相交聯作用形成牢固的膠合結構，從而實現粘合效果。

在這裏需要解釋一下什麼是交聯作用：它一般是指動物膠中不同蛋白之間發生的複雜的相互作用。

比如在貽貝的足盤中兩種蛋白質肽鏈上的多肽被空氣中的氧氣氧化，發生脱氫反應，彼此之間形成共價鍵，增強了粘附蛋白的內聚力。從而使貽貝足盤具有很強的韌性。

貽貝足盤蛋白質肽鏈上的氧化交聯反應 來源：[5]

類似地，也可以由植物中提取樹脂、樹膠、木材、澱粉、植物粘液等原料中提取合成植物膠。值得注意的是，動物膠粘合劑相比於合成樹脂來説具有來源廣、成本低、工藝簡單、綠色無毒等特點。

生活中另一個常見的膠黏劑就是熱熔膠。它主要是通過熱塑性樹脂或者熱塑性彈性體與其他組分熔融共混所得。熱熔膠在低温下(小於82℃)為固體，在高温下(高於 82℃）為低粘度熔體。冷卻後能夠迅速凝固，形成牢固的粘結[4]。

同時，根據上面所説的交聯作用的原理，在將多個化合物聚合在一起時，還可以額外加入兩個以上的活性基團作為交聯劑，使其結構更加穩定，比如加入甲基-磷酸酯基團的試劑[6]。

“粘”與“不粘”現象大賞

現在我們可以思考一下食材粘鍋的原理了。

通過以上的瞭解我們可以知道，肉食或者蘑菇在被加熱後溶解了食材中含有的黏性成分，如澱粉、蛋白質、纖維等，這些物質形成了一層膠黏劑。

金屬鍋具表面雖然看起來光滑平整，但是其微觀表面存在大量的氣孔和紋路。所以膠黏劑就很容易使食材粘到鍋表面。

304不鏽鋼表面掃描電子顯微鏡圖像 來源：[7]

為此想要不粘鍋的方法首先就需要在鍋表面塗蓋一層光滑的表面。比如對於鐵鍋來講，可以燒熱鍋放冷油潤鍋，使鍋的表面覆蓋一層油膜，從而封閉住微小空隙[8]。也比如市面上採用的不粘鍋，也是塗蓋了一層光滑塗層。

除此之外，蛋白質、澱粉這些物質之所以會有粘性並且粘鍋是因為這些分子都是極性分子，只有與金屬鍋表面原子發生吸引相互作用，才會降低能量形成穩定結構。

這啓發我們在鍋表面覆蓋的塗層儘量採用無極性的分子，或者形成低能表面。比如常見的不粘鍋塗料聚四氟乙烯（PTFE）就會形成低能的表面[9]。

不粘鍋塗層示意圖 來源：[9]

當然在實際應用過程中還要考慮塗層的導熱、摩擦、硬度等因素綜合選用。

膠帶的粘性則是來自於其表面的丙烯酸等聚合物形成的膠黏劑，同時一些膠帶的表面會有微小的凸起和凹陷，這些結構可以增加接觸表面積，從而提高黏着力。（Ps：我們前面提到膠水是一種溶液膠黏劑）

除此之外，我們注意到，壁虎可以在豎直的牆壁和天花板上自由自在地奔跑，説明其腳掌與牆壁之間存在很強的粘附力。學者們把這種動態粘附能力稱為可逆粘附。

許多昆蟲比如蜘蛛、蒼蠅也具有這種能力，因此受到仿生科技的大力關注[10]。

人們觀察壁虎腳掌的微觀結構，發現腳掌上存在成千上萬均勻分佈且傾斜角度相同的剛毛，每根剛毛的末端還分叉了大量的絨毛。

剛毛的長度約為100微米，寬度為幾微米，絨毛地寬度甚至只有數百納米。這形成了一種天然的完美的微納結構。除此之外，組成其剛毛的蛋白質具有極強的疏水特性[10]。

壁虎腳址的多層次結構放大圖 來源：[10]

直到21世紀，由於微機電系統（MEMS）的發展，人們才確定壁虎腳掌上的粘附力產生過程為：壁虎按壓腳掌使剛毛髮生一定角度的彎曲，使絨毛貼在表面上產生範德華力從而形成粘附力。

所以科學家們通過壁虎腳掌的啓發想到可以採用碳納米管陣列製作仿生粘貼材料[11]。

碳納米管電子顯微鏡照片 來源:[11]

在這裏可以cue一下我們的小彼得帕克，蜘蛛俠通過他的蛛絲也可以飛檐走壁，所以蛛絲也具有很強的粘性，小夥伴們是不是也很想知道蜘蛛俠的蛛絲是用什麼材料做的呢？

蜘蛛俠英雄歸來劇照

小編也從網上看了些網友的分析，蜘蛛俠的絲除了很強的粘性外，還應至少具備以下幾種特徵：環保、強度大、密度低[12]。

想來想去，這不是我們剛剛提到的碳納米管嗎？研究表明，碳納米管理論上的切向粘附力是壁虎腳掌的10倍。構造陣列還能進一步增強其粘附力，多壁碳納米管甚至可以實現460MPa的強度[11]。同時還具有非常好的柔韌延展性。

所以下次變蜘蛛俠也不需要被咬一下了。誒嘿！