蜘蛛侠的蛛丝能粘住不粘锅吗？
来源｜中科院物理所（id：cas-iop）
撰文｜彼得·帕明
前几天小编在吃火锅的时候
由于手残夹筷不稳
导致食材贴到了火热的铜锅上面
然后就发现食材紧紧地贴在铜锅上
即使将蘑菇揪下来
也会明显感到蘑菇和铜锅之间极强的粘附力
这不禁引发了小编的思考
蘑菇或肉为什么会粘在铜锅上呢？
或者炒菜时粘锅到底是什么原因呢？
为什么不粘锅就不会粘锅呢？（我搁这搁这呢）
其他物体之间的粘贴也是同样的原理吗？
就让我们一起来探究一下吧！
贴贴需要吸引力
两个物体之所以能够紧紧粘贴在一起，是因为二者之间存在吸引力。作为生活常识，我们当然知道这个吸引力不可能是万有引力。这是因为万有引力太弱了。
为了直观说明这一点，我们可以比较一下一对正负离子之间的库仑吸引力（电磁相互作用）和它们之间万有引力的大小。
库仑吸引力大小为：
万有引力的大小为：
库仑力与万有引力的比值为：
其中库仑常数k=8.89x109Nm2/C2，引力常数G=6.67x10-11Nm2/kg2我们又知道，质子的荷质比约为108C/kg。
而离子一般所带的电荷量为数个元电荷，离子的质量一般为数个到数十个质子的质量。所以通过计算可以知道，离子间的库仑力的大小约为万有引力大小的1036倍。
除了万有引力的电磁相互作用力以外，自然界中还存在两种基本相互作用力，即弱相互作用力和强相互作用力，但是这两种力只存在于原子核内部。
所以我们可以知道，宏观物体之间贴贴的吸引力的本质是物体内部原子之间的电磁吸引力。
虽然原子之间相互作用力的本质是一样的，都是库仑力，但是我们依然可以对不同的相互作用形式对其进行分类。
首先正负离子之间可以通过直接的库仑吸引力形成离子性结合（也就是形成离子化学键），以此形成的晶体被称为离子晶体。
比如食盐晶体就是由Na+离子和Cl-离子相间排列形成。
食盐晶体结构 来源：[1]
为什么正负离子相互吸引就可以形成稳定的结构呢？
我们可以想象这样的场景：两个离子初始处在相隔无穷远处的地方，此时两个离子所具有的总能量为E1。二者之间的吸引力也因为相聚无穷远而为0。
这时将其中一个离子从无穷远处缓慢地移动到另一个原子附近。在移动过程中，二者之间就存在吸引力。，为了保证“缓慢”的过程，就意味着在移动离子的过程中要保证离子时时刻刻处于静止状态，所以它不会被加速，也就是受到的合力为零。
也就是说我们施加了一个外力，在全部过程中，外力做功为：
由于E1+W=E2，所以末态体系的能量E2<E1，由于体系的能量变小了，所以更加稳定了。所以凡是通过吸引力结合在一起的体系，比不结合之前的能量总是要更小的，也更稳定。
除了离子结合之外，有些原子不会形成离子。这时它们就会通过共价结合的方式相互吸引。共价结合就是两个原子共享对方的电子，形成共价键。
比如两个氢原子各贡献一个电子，结合成氢分子。在两个原子相互靠近的过程中，轨道波函数发生交叠，使得总的轨道能量降低，从而可以形成更稳定的结构。
轨道波函数交叠导致轨道总能量降低，来源：[2]
对于金属来说，其内部的电子可以在整个晶体内作公有化运动，形成弥漫整个晶体的电子云。所以相互作用情况为带负电的电子云与带正电的离子实的相互作用，这就是金属性结合。
所以体积越小整个体系的库仑能就越低。表现出把所有原子聚集在一起的效果，这就意味着对原子的排列没有特别的要求，只对体积有要求，所以金属一般就很容易进行延展。
当然金属的体积也不可能无限地小下去，这是因为体积更小导致离子实之间排斥力增大时就会无法再进行压缩。
除了原子之外，物体间的分子会通过范德瓦尔斯吸引力结合（或称范德华力）。对于分子来说，若其正负电荷中心不重合，则是极性分子。正负电荷中心重合的就是无极性分子。
所以有极性的分子之间会因为极性的存在产生吸引相互作用。而无极性的分子在靠近极性分子或者互相靠近时，则由于原子之间的吸引力促使正负电荷中心发生偏移而感应出极性，从而产生分子间的吸引力。
分子间吸引势能随分子间距离的变化：雷纳-琼斯势 来源：[1]
从上面的讨论我们可以知道，物体粘贴在一起可以通过表面原子或分子间的吸引力形成粘附力。也就是可以通过化学键、范德华力、静电吸引、扩散等方式粘贴在一起。
胶黏剂的秘密
在日常生活中我们都知道，实现物体的粘贴也不是那么直接的。需要使用一些工具比如胶带、胶水，甚至口水也可以促进粘贴。这其实就是用到了所谓的胶黏剂的辅助（或者称粘合剂）。
胶黏剂是一种可以将固体材料表面粘贴在一起的媒介物。
它工作的基本机理是，渗透到材料表面的空隙中，这个过程也会排除掉界面上吸附的空气。胶黏剂与固体表面通过化学键和范德华力作用产生粘接力，从而产生粘接效果。
首先是聚合物粘合剂，它包括聚氨酯、环氧、丙烯酸和聚氯乙烯等材料，当它被涂到物体表面时，由于表面张力的存在，聚合物粘合剂就会“浸润”在物体表面。
随后通过化学反应实现固化，在物体表面形成坚硬的聚合物，从而将两个表面牢固地粘在一起。
例如，环氧树脂粘合剂使用环氧基团（有两个相邻的氧原子）和胺基团（有一个或多个氨基原子）之间的反应来固化[3]。
常见环氧树脂的基本化学结构 来源：[3]
聚合物粘合剂可以应用于汽车制造、航空航天和建筑等领域。相比于传统的机械连接，聚合物粘合剂可以更均匀地分布载荷，并提供更好的抗腐蚀性和密封性。
也可以将聚合物制成溶液粘合剂，比如胶水。使用溶液粘合剂时要将其涂敷在要粘合的表面上，通过干燥过程，水分会挥发，聚合物分子会彼此结合形成交错的网状结构，这种结构会在材料表面形成牢固的结合。
除此之外，对于比如丙烯酸粘合剂，其中的单体分子会在加热或紫外线照射的条件下形成高分子聚合物。这种聚合物具有更强的结合力，可以在较短时间内形成更牢固的粘合[4]。
除此之外还有动物胶粘合剂，它的原理是利用动物组织（如骨头、角、皮革、鱼鳞等）中的胶原蛋白质，经过化学处理使其成为可溶性的胶原蛋白。同时加入适当的配方、调 pH 值后使其形成一种粘性液体。
将其涂抹在需要粘合的物体表面，待其干燥后，胶原蛋白分子会互相交联作用形成牢固的胶合结构，从而实现粘合效果。
在这里需要解释一下什么是交联作用：它一般是指动物胶中不同蛋白之间发生的复杂的相互作用。
比如在贻贝的足盘中两种蛋白质肽链上的多肽被空气中的氧气氧化，发生脱氢反应，彼此之间形成共价键，增强了粘附蛋白的内聚力。从而使贻贝足盘具有很强的韧性。
贻贝足盘蛋白质肽链上的氧化交联反应 来源：[5]
类似地，也可以由植物中提取树脂、树胶、木材、淀粉、植物粘液等原料中提取合成植物胶。值得注意的是，动物胶粘合剂相比于合成树脂来说具有来源广、成本低、工艺简单、绿色无毒等特点。
生活中另一个常见的胶黏剂就是热熔胶。它主要是通过热塑性树脂或者热塑性弹性体与其他组分熔融共混所得。热熔胶在低温下(小于82℃)为固体，在高温下(高于 82℃）为低粘度熔体。冷却后能够迅速凝固，形成牢固的粘结[4]。
同时，根据上面所说的交联作用的原理，在将多个化合物聚合在一起时，还可以额外加入两个以上的活性基团作为交联剂，使其结构更加稳定，比如加入甲基-磷酸酯基团的试剂[6]。
“粘”与“不粘”现象大赏
现在我们可以思考一下食材粘锅的原理了。
通过以上的了解我们可以知道，肉食或者蘑菇在被加热后溶解了食材中含有的黏性成分，如淀粉、蛋白质、纤维等，这些物质形成了一层胶黏剂。
金属锅具表面虽然看起来光滑平整，但是其微观表面存在大量的气孔和纹路。所以胶黏剂就很容易使食材粘到锅表面。
304不锈钢表面扫描电子显微镜图像 来源：[7]
为此想要不粘锅的方法首先就需要在锅表面涂盖一层光滑的表面。比如对于铁锅来讲，可以烧热锅放冷油润锅，使锅的表面覆盖一层油膜，从而封闭住微小空隙[8]。也比如市面上采用的不粘锅，也是涂盖了一层光滑涂层。
除此之外，蛋白质、淀粉这些物质之所以会有粘性并且粘锅是因为这些分子都是极性分子，只有与金属锅表面原子发生吸引相互作用，才会降低能量形成稳定结构。
这启发我们在锅表面覆盖的涂层尽量采用无极性的分子，或者形成低能表面。比如常见的不粘锅涂料聚四氟乙烯（PTFE）就会形成低能的表面[9]。
不粘锅涂层示意图 来源：[9]
当然在实际应用过程中还要考虑涂层的导热、摩擦、硬度等因素综合选用。
胶带的粘性则是来自于其表面的丙烯酸等聚合物形成的胶黏剂，同时一些胶带的表面会有微小的凸起和凹陷，这些结构可以增加接触表面积，从而提高黏着力。（Ps：我们前面提到胶水是一种溶液胶黏剂）
除此之外，我们注意到，壁虎可以在竖直的墙壁和天花板上自由自在地奔跑，说明其脚掌与墙壁之间存在很强的粘附力。学者们把这种动态粘附能力称为可逆粘附。
许多昆虫比如蜘蛛、苍蝇也具有这种能力，因此受到仿生科技的大力关注[10]。
人们观察壁虎脚掌的微观结构，发现脚掌上存在成千上万均匀分布且倾斜角度相同的刚毛，每根刚毛的末端还分叉了大量的绒毛。
刚毛的长度约为100微米，宽度为几微米，绒毛地宽度甚至只有数百纳米。这形成了一种天然的完美的微纳结构。除此之外，组成其刚毛的蛋白质具有极强的疏水特性[10]。
壁虎脚址的多层次结构放大图 来源：[10]
直到21世纪，由于微机电系统（MEMS）的发展，人们才确定壁虎脚掌上的粘附力产生过程为：壁虎按压脚掌使刚毛发生一定角度的弯曲，使绒毛贴在表面上产生范德华力从而形成粘附力。
所以科学家们通过壁虎脚掌的启发想到可以采用碳纳米管阵列制作仿生粘贴材料[11]。
碳纳米管电子显微镜照片 来源:[11]
在这里可以cue一下我们的小彼得帕克，蜘蛛侠通过他的蛛丝也可以飞檐走壁，所以蛛丝也具有很强的粘性，小伙伴们是不是也很想知道蜘蛛侠的蛛丝是用什么材料做的呢？
蜘蛛侠英雄归来剧照
小编也从网上看了些网友的分析，蜘蛛侠的丝除了很强的粘性外，还应至少具备以下几种特征：环保、强度大、密度低[12]。
想来想去，这不是我们刚刚提到的碳纳米管吗？研究表明，碳纳米管理论上的切向粘附力是壁虎脚掌的10倍。构造阵列还能进一步增强其粘附力，多壁碳纳米管甚至可以实现460MPa的强度[11]。同时还具有非常好的柔韧延展性。
所以下次变蜘蛛侠也不需要被咬一下了。诶嘿！
编辑：Garrett
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