有點黏又不會太黏──黏膠

　在英國北威爾斯的海洋科學研究所中，一群科學家花了很多時間，觀察蒼蠅在牆壁上面，上上下下的走動。科學家並不是閒得沒事幹，事實上正好相反。他們想知道蒼蠅憑什麼能對抗地心引力，在牆面上隨意行走。其實，在接合工藝學（zygology）上的任何創見，都有很重要的實際應用價值。所謂接合工藝學是研究東西結合的科學。楔片、釘子、螺絲與焊接，都在我們日常生活裡扮演重要的角色，但是我們還需要各種黏著劑，否則日子會很難過：飛機會從天上掉下來，家具會散開，瓷磚會從牆面剝落，書與鞋子都無法黏合，連我們的假牙也套不住。想像一下，沒有壁紙、郵票、膠帶或利貼，會變成什麼世界！

　任何黏性研究，都應該從微觀機制著手。因此，海洋科學實驗所的研究人員，首先把蒼蠅腳放大，仔細研究。蒼蠅有六隻腳，每隻腳上都有兩個小爪子，讓牠可以鉤住任何凹凸不平的表面。但事情並沒有這麼單純。蒼蠅還可以在玻璃板等光滑平面上，隨意走來走去，研究人員懷疑這裡面藏有玄機，會不會是蒼蠅腳底有什麼分泌物作怪？他們決定仔細檢查蒼蠅走過的玻璃表面，看看是不是留有什麼東西。果然不出所料。

　當研究人員用染色劑蘇丹黑B（C₂₉H₂₄N₆）處理蒼蠅走過的玻璃表面時，發現玻璃上有油脂，使玻璃面出現細微的腳印。這些油脂會不會是一種膠？

　為了測試這個想法，研究人員設計了細緻精巧的實驗。他們用強力膠在蒼蠅背上黏上一條細線，再裝上一個小儀器，測量要用多大的力道才能把蒼蠅從玻璃上拉開。其次，他們讓蒼蠅走上舖了濾紙的木板，濾紙先浸過己烷（C₆H₁₄），己烷是可以溶解脂肪的溶劑。然後他們讓蒼蠅重新走過玻璃板，再用細線把牠們拉起來。這次所需要的力量，只有之前的十分之一。

　看起來，蒼蠅真的是用膠把腳黏在牆上。但這裡頭有什麼化學作用？黏性到底是怎麼回事？口香糖會黏住頭髮，而卻不會黏住鐵氟龍，又要如何解釋呢？為什麼醋不會像糖水一樣黏黏的呢？

　黏性是非常複雜的事，與好幾個因素有關。但基本原理是，兩個表面靠得非常近時，會互相粘黏，這是因為任何一對原子或分子之間，都有吸引力。原子是由原子核與電子構成的，原子核帶正電，幾乎整個原子的質量都集中於此，電子帶負電荷，繞原子核外的軌道旋轉。在分子裡，原子間結合形成化學鍵。化學鍵形成的原因是電子受兩個原子核吸引，但電子並不是固定不動的，不管在任何時間，分子與原子內的電子會集中形成負電區，而原子核所在的地方會形成正電區。電荷這種暫時分開的現象，稱為偶極。

　偶極的負電端，會受鄰近偶極的正電端吸引，這就是所謂的凡得瓦力。當兩個表面非常靠近時，這兩個表面的分子會受凡得瓦力互相吸引，產生黏著力。凡得瓦力非常小，但兩個表面有無數億對的偶極會互相吸引。如果真是這樣，為什麼無法讓壞掉的椅子，靠在一起就自動黏合呢？

　老實說，理論上這是可行的；但事實上，我們卻不可能讓兩個表面的距離，近到使凡得瓦力得以發揮作用。不管一個表面看起來有多平、多光滑，從微觀的尺度來看，上面一定會有凸起與凹洞。因為凡得瓦力只在數埃的範圍內發揮作用，因此一個只有400埃（1埃等於10－8公尺）的高峰，就會使表面間的吸引力幾乎消失殆盡。現在，如果其中一個表面是可以移動的（例如液體），它的分子可以流進另一個表面的凹洞，而且也把凸起包覆起來，使兩個表面的分子間距，近到可以感覺出彼此的偶極。

　只要沾一點蜜在兩根手指之間，就知道我在說什麼了。蜂蜜有足夠的移動力，可以填滿兩個表面上所有的空隙，使表面與蜂蜜間的距離很接近，足以觸發凡得瓦力。但只有移動力還不足以形成化學鍵。水也會流動，也能形成凡得瓦力，但並不會黏黏的，這是為什麼呢？這就要談到黏著劑的另一項條件了。好的黏著劑，不但能與兩個表面分別緊密連結，黏著劑分子之間也要能形成鍵結，當兩個表面受外力分開時，黏著劑分子也還能緊密結合。

　水可以與兩個表面分別緊密結合，但水分子之間的鍵結太弱，受到壓力很容易就分開。如果水結成冰，水分子間的鍵結力就非常強，因此兩塊濕木片只要經過冰凍，就可以黏得牢牢的。

　蜂蜜不像水，它裡面有糖分子，不但彼此緊密結合，也能與其他的分子結合，因此蜂蜜會黏黏的，但是還沒有黏到可以做黏著劑的程度。良好的黏著劑，必須很容易流動，能輕易覆蓋住想要接著的表面，與這些表面產生有效的凡得瓦鍵。接下來，它要能固化變硬，在本身的分子間形成緊密強固的結構，不輕易分開。就像前面水結冰的例子。

　當然，我們希望這些變化都在常溫發生。有一種用水與麵粉調出的簡單黏膠，就是個好例子。這種麵糊在濕濕的時候，很容易移動，但乾了之後，長鏈的澱粉分子會互相糾結，變得很難分開。蛋白質分子也有類似的功能。馬蹄與馬皮可以萃取出明膠，因此從前常把退役的老馬，送去製膠工廠當明膠的原料。今天，我們已經很少用澱粉或明膠，多半使用合成膠，例如用簡稱PVA的聚乙烯醇（H[CH₂CH(OH)]nH）。把PVA溶在水裡，就是很受學生歡迎的白膠。它的流動性好，但水分蒸發後，就會變硬。

　還有一種更好的黏著劑，可以把東西牢牢黏起。這種黏著劑的分子很小，很容易流動，可以覆蓋住整個要黏著的面積，之後經過化學作用，分子間相連接成巨分子或聚合物。AB膠與瞬間膠就是以這種方式作用的。

　AB膠含有兩種成分，會反應產生聚合物，而瞬間膠裡面有一種小分子，叫做氰基丙烯酸酯（C₈H₁₁NO₂），它接觸到空氣裡的水氣時，會緊緊結合成類似聚合物的長鏈狀結構，把兩個面緊緊黏住。瞬間膠的效果，其實與空氣裡的水分有密切的關係。因此，如果有人問你，為什麼瞬間膠在邁阿密的效果比在鳳凰城好，你就可以告訴他原因了。

　顯然，對黏著劑的首要要求，就是能夠容易流動，輕易覆蓋住要膠合的表面。但這問題其實相當複雜，並不像表面上那麼簡單。有人可能直覺認為，這應該只與黏著劑的黏性有關。其實不然。滴一滴油到長炳鐵鍋，再滴一滴油到不沾鍋裡，比較它們的不同，你就會知道了。鐵鍋裡的油會散開，但長柄鍋裡的油會結在一起形成小油滴。這是黏著劑原子之間的結合力，及黏著劑原子與鍋子表面原子間的結合力，兩者差異的表現；這也代表這個表面的原子可以給其他物質多少吸引力。

　從鍋子的例子來看，顯然鐵氟龍能給的吸引力非常小。鐵氟龍是長鏈碳原子化合物，每個碳原子上還接了兩個氟原子。氟由碳的結構上伸出，代表分子對外的接觸點，也就是可能與別的東西的原子結合的位置。但氟一旦與碳連接後，就出了名死心塌地的安分，不再對任何對象有興趣。因此，蛋或其他的東西就沒有辦法黏在不沾鍋上。

　但我們還沒把所有的故事合盤托出呢。計算顯示，即使接觸面全部由黏膠有效覆蓋，黏膠對表面的黏合力，還是大過凡得瓦力的總合，這是怎麼回事呢？這裡面其實還有另一個效應存在。黏著劑覆蓋了表面、硬化之後，從微觀的尺度看，有許多小氣泡陷在表面的凹洞裡。這些氣泡也有吸力，要拉開這兩個接合面，還必須破壞這些氣泡才行。由於我們有各種各樣的表面，所以市面上的黏膠，也有各種各樣不同的化學成分，以應所需。不同的黏膠硬化後，強度也大不相同。沒有可以接合所有東西的萬用膠，如果真有這種東西，那我們要怎麼拿下它的瓶蓋？

　我們常會發現黏膠的新用途。例如，我們正開始試著不用手術線，改用瞬間膠縫合傷口；我們也開始用黏膠來黏合食道上的裂縫，以及由濕疹引起的指甲裂縫；腦外科手術也開始使用黏膠補強血管的弱點。

　但就像其他的化學物質一樣，黏膠也會有問題，只要問問那位誤把瞬間膠當成鼻噴劑的人就行了。所幸鼻子裡的黏液阻止瞬間膠黏住組織。醫生最後從他的鼻子裡，弄出一塊硬膠來，這團硬膠形狀就像鼻腔內部的模型。還有個粗心的母親把瞬間膠當眼藥膏，抹進嬰兒眼睛裡。醫生只好把嬰兒全身麻醉，再動手術切開眼皮。還有破壞者在一間愛爾蘭酒吧的馬桶座塗了瞬間膠，不知情的顧客一屁股坐上去，就下不來了。（這類的傳聞逸事，是很難認真追查的。）在經人發現送醫之前，他有好長一段時間可以仔細觀察蒼蠅怎麼在牆面上行走。當然在送醫過程，他的屁股還是黏在馬桶座上。醫生用丙酮（C₃H₆O）溶解瞬間膠，才把他從膠著的困境中救了出來。

　除了丙酮，還有其他物質也可以溶解瞬間膠。乙腈（CH₃CN）也有這種本事，而且在卸假指甲時特別特別有效。如果使用得當，它們算很安全，但如果吃進肚子裡，就很難說了。乙腈在體內新陳代謝後，會釋放出氰化物（CN）。曾發生可怕的乙腈中毒意外，一個16個月大的嬰兒居然吞食了十五到三十毫升的乙腈溶劑。母親立刻把嬰兒送到毒物管制中心，但母親與毒物管制中心的人沒溝通好，產生了一點誤會。中心的人誤以為小孩子吃到的是去光水或丙酮，這類比較不危險的化學藥劑，因此並未採取特殊的急救措施。第二天上午，嬰兒就死了。又是一個乙?毒物的犧牲者。

　黏膠的本身也牽涉到一些健康問題。記不記得1995年轟動一時的電視連續劇「歡樂單身派對」（Seinfeld）的最後情節？傑瑞的朋友喬治幾乎要結婚了，喬治與未婚妻蘇珊忙著寄結婚請帖，但後來卻遲遲沒有進行婚禮（這大概讓喬治鬆了一口氣）。因為蘇珊中毒了，而這全是喬治的錯。這個小氣鬼買的信封是最便宜的，蘇珊用舌頭舔濕信封的封口膠，導致中毒。劇中暗示如果喬治不那麼小氣，這種事是可以避免的。因為較貴的信封，封口的黏膠品質較好，毒性較低。這段劇情有可能是真實故事的翻版嗎？絕不可能。

　我們的法令對信封上的封口膠，有非常嚴格的安全標準，因為很可能有人會把它吞下肚，所以規定這種黏膠要達到食物的安全標準。這類黏膠的種類很多：水溶性的阿拉伯膠來自洋槐樹，糊精則是玉米澱粉做的，至於最適用的，則是聚乙烯醇。我們也試過別的東西，來加強黏膠的彈性與塗布品質，如：甘油、玉米糖漿、醇類、尿素、矽化鈉、與乳狀的蠟。我們還試用過一些防腐劑，像：安息香酸鈉（C₆H₅CO₂Na）、四基氨水化合物以及酚類物質。這些東西當然不可能好吃，但至少是無毒的。事實上，蟑螂只要有封口膠可以吃，就能夠存活很久。

　如果對黏膠還有任何疑慮的話，可能是它會引起某些過敏反應。有少數人會對地毯背膠、家具上光膠甚至假指甲裡的黏膠過敏。對黏膠過敏的事件，我有一件很好玩的例子，而且我與當事人相當熟。我有個朋友多年來一直過敏，流眼淚、流鼻水、呼吸急促。起先醫生以為是花粉引起的，因此當她過敏的情況愈來愈嚴重時，就為她做一系列的過敏原測試。但奇怪的是，她對這些一般性的過敏原都沒有反應。有一天，她正好又為過敏所苦惱，碰到一位舊識，就對老友訴苦。這位老朋友想了想，忽然問她是不是戴假指甲？因為發問的這位老朋友，以前也遭受到同樣的困擾，但自從拿下要用黏膠粘黏的假指甲後，過敏症狀就不藥而癒了。我朋友一聽，立刻趕回家，取下假指甲。你也知道發生什麼事了吧？第二天起，她的過敏就一去不返了。

　我正好在此時介入此事，就建議我朋友做個對照實驗，證實自己的假設。她本身是藥劑師，知道如何進行科學調查。她戴上假指甲就過敏，拿下來就沒事。後來她的醫生測試她對指甲黏膠，氰基丙烯酸酯的反應，發現果然是陽性的。從此，每次她的醫師碰到新病人，不管是男是女，總是會問對方，有沒有戴假指甲。當我在廣播節目裡談到這個奇怪的故事時，得到另外一位女士熱烈的回響。她還提供了另一則有趣的故事。這位女士裝了假牙，卻對假牙用的丙烯酸酯類黏膠過敏。之後，她每次經過修指甲的美容院，都會有過敏反應。我無法證實她說的情節，但在奇異的過敏世界裡，什麼怪事都可能發生。

　關於黏膠，還有個故事值得一說，就是美國3M公司首席科學家席爾巴（Spencer F. Silver）的故事。雖然他不是家喻戶曉的人物，但他發明的利貼（Post-It）卻幾乎是人人皆知。1998年，美國化學學會特別因為他發明利貼而頒獎給他。他發明的這種特殊黏膠，要它黏就黏，要撕下來就撕下來。而這種東西的背後，有一段很奇妙的故事。

　1968年，席爾巴博士為3M公司研究出一種對壓力很敏感的黏著劑，這種東西可以立刻黏著在表面上，但是當你想把它拿下來時，卻又不會傷到它原先附著的表面。今天，這種產品已經相當普遍，到處都有可隨時去除的黏著劑。但在1968年，沒有人知道有這種東西。科學家確實知道，有些聚合物在某種條件下，是可以剝除的，譬如天然橡膠，但它們的特性都很不理想。於是席爾巴開始著手研究，他做出一些合成聚合物，最後得到一種黏著力不強但很容易撕開的東西。但它有個缺點：不是每次都能撕得乾乾淨淨的。後來連席爾巴自己也對這東西喪失興趣了。

　幸好，在1970年代早期進入3M公司的化學工程師富萊（Arthur Fry）對這東西感興趣。更巧的是，富萊參加教會的唱詩班，需要可以貼在樂譜上的小紙條，在特定的幾頁做記號。正好，他記得席爾巴發明過一種不太黏的黏膠，於是他用這種黏膠，塗在紙條的背面，用來標示樂譜，這樣子紙條既不會掉且容易撕下也不留痕跡。這就是利貼的雛型。

　後來富萊又花了一年半改善它的缺點。他發展出一種初級膠，用來把黏著劑黏在紙上，讓黏著劑不會黏到便條紙要貼上的物質表面。然後他發展出製造這種便條紙的機器。但利貼並不是一上市就造成轟動，它是靠巧妙的銷售策略來推動的。3M公司在美國愛達荷州的波夕市分送免費贈品給上班族，用過的人有九成在贈品用完後，會掏腰包再買來用。今天的利貼，採用了非常複雜的技術，已經真的可以一再重複使用。它的黏性來自尿素甲醛樹脂的微小顆粒。在壓力之下，這些小顆粒會破裂，但不會同時全部破裂。一張利貼便條，可以重複使用多少次呢？我不知道。應該做個實驗來試試。我會寫張便條，提醒自己這件事，當然是寫在利貼上啦。(摘自本書第三篇化學，無所不在)