黏黏滑滑：摩擦力與表面科學的祕密

序 Hello
第一章、黏還是不黏 To Stick or Not to Stick
第二章、壁虎的爬牆功 A Gecko’s Grip
第三章、游泳去 Gone Swimming
第四章、翱翔天際 Flying High
第五章、上路出發 Hit The Road
第六章、搖晃的群島 These Shaky Isles
第七章、破冰 Break the Ice
第八章、觸摸的力量 The Human Touch
第九章、緊密接觸 Close Contact
延伸閱讀
致謝

作者序

　　網路上有一張隨處可見的流程圖，喜歡自己動手修繕和組裝物品的人應該都很熟悉。這張流程圖的最上方是一句問句，「這東西會動嗎？」底下則提供了兩個選擇：如果想要固定物品，請選大力膠布，如果想要讓物品滑順好轉，請選WD-40®。這兩樣產品長久以來都被視為家庭必備好物。也是任何工作坊的必備工具；它們因為萬用而成了家家戶戶的常備用品。兩者我都非常喜歡。

　　幾年前，當這本書的初步構想在我腦海中嘎嘎作響時，我對這些產品有了一些領悟。因為其中之一是緊貼表面，另一個則是在物體之間滑動來鬆開它們，兩者經常被視為相反；彷彿各據「黏－滑量表」的兩端。真實世界中並沒有這樣的量表存在——不管是日常生活還是在實驗室的受控環境。那是因為「黏」和「滑」這兩個字很模稜兩可，當然也不確切處於對立的兩端。雖然它們廣為大家使用，但是在不同情況下，對不同的人而言，它們都代表不同的意義。依情況而異，它們一個可能讓人聯想到口香糖、大力膠布和糖漿的畫面，而另一個則會聯想到冰雪路面、WD-40和濕磁磚。

　　「黏」和「滑」這兩個字也不像堅硬和導熱性那樣，是真正的材料性質。它們沒有大家都同意的科學定義，也沒有確切的指標可以用來量化或比較。明明每天日常生活都會用到這兩個字，但卻沒有科學文獻支持，這樣的反差正是我決定把這本書取名《黏黏滑滑》的原因之一*。

　　註解：*原因就是這樣，而且我剛好覺得這是個很不賴的標題。

　　據我看，這組熟悉的詞彙可以找到新用途，應用於各式各樣有趣的作用中：特別是發生在表面上和表面之間所有怪奇又美好的事物。兩件物體接觸時會發生很多科學變化；無論是空氣流經彎曲的表面、兩塊金屬貼著彼此互相滑動，或膠水塗抹到木板上。雖然黏性無法測量或定義，但是有許多相關特性可以測量，且有一整個研究領域都致力於定義它們。

　　摩擦學（tribology）就是其中之一†。有時候會稱為「摩擦與滑動」的科學，主要焦點在於兩個移動的表面如何相互作用。雖然乍看之下似乎有點小眾，但我們之後會發現，這樣的相互作用在我們身邊比比皆是，且解釋了冰川在充滿岩石的地形中的移動方式，以及你電腦硬碟發出的運轉聲。無論專攻哪個研究領域，所有摩擦學家皆著迷於摩擦力，也就是與表面平行的阻力，無論是讓靜止物體保持在原處〔靜摩擦（static friction）〕，或是讓移動的物體慢下來〔動摩擦（kinetic friction）〕的力量。

　　註解：†摩擦學這個名詞源自希臘文——「tribos」，意思是「我摩擦」

　　透過測量材料之間的摩擦力，並將之融入幾十年來不斷發展和更新的數學模型中，摩擦學家可對表面產生有深度且高明的見解。如此一來，他們就能找到方法控制作用於表面的摩擦力。所有有相連零件的系統，不管是經過工程設計或生物與生俱來，在設計時都會考慮到摩擦力。有時候目標是要盡量提高摩擦力；提供元件之間的抓力或牽引力，就算是在極端條件下。其他時候摩擦力則被視為勁敵，因為會導致物品真的磨到靜止為止。不管是哪種情況，我們都無法忽略摩擦力，正因如此，摩擦力是本書的核心，貫穿全書每個章節。

　　從很多方面來說，摩擦學都不是一門新興科學。人類已探索和控制表面的相互作用近千年之久，比我們發展出用來描述摩擦力所需的算式或工具還久遠得多。在傑胡提霍特普（Djehutihotep）的陵墓就有個著名的例子。他是有權有勢的首都首長，四千年前居住在上埃及（Upper Egypt）。這座陵墓裝飾得富麗堂皇的牆上，有一幅現稱為《巨像的運輸（Transport of the Colossus）》的壁畫。這幅畫像的內容是一副木橇上載著一座巨大的石像，由一群工人拖行。在石像腳邊站著一個人，直接把水倒在木橇前方，起初被解讀為純粹只是一種儀式行為。工程師日後看著這幅畫，思量其中是否有更深的含意。這個液體有可能也是早期的潤滑劑嗎？為了要讓沉重的木橇比較容易在沙地上滑行嗎？

　　2014年，由丹尼爾．波恩（Daniel Bonn）教授帶領的團隊開始尋找這個疑問的解答。實驗設計相當簡單——他們裝載一塊載了砝碼的木橇，沿著混合了不同水量的沙堆樣本拖行，測量使用的力量。他們最感興趣的衡量標準是摩擦係數μ（coefficient of friction，μ發音為「mu」，類似華語「謬」）。這個比值大量用於摩擦學研究（一般來說，還有工程學與科學）中，因其能讓你大概明白兩種材料表面的作用強度*。此數值愈近零，表面愈容易開始滑動。所以，鋼放在冰塊上的μ值會比木頭放在冰塊上還低一點（μ分別為0.03與0.05），而在乾燥柏油上的橡膠的摩擦作用，則比兩者都高18～30倍（μ＝0.9）。這也說明了輪胎有助於汽車停留在路面上的部分原因；我們在第五章會再詳述。藉由測量在愈來愈濕的沙地上拖行的木橇之摩擦係數，波恩就能直接確認倒水對沙子「滑度」的影響。

　　註解：*更具體地說，μ是兩個表面之間抵抗活動的摩擦力以及正向力（normal force，表面對其上方物體所施加的「支撐」力或壓力）之間的比例。如同動摩擦和靜摩擦，μ依表面是靜止或活動也會有不同的數值。我們在這本書中會經常提到μ。

　　所有乾燥沙體的摩擦力都偏高，基本μ值為0.55。波恩把此歸咎於「木橇前方的沙堆早在它真的開始移動之前就形成了」。當他增加含水量，沙堆的體積就減少，μ值也是。某些情況下，單純透過加水，木橇與沙之間的摩擦力即可下降40％。但是一旦沙子含水量超過約5％，摩擦力就會再次開始攀升，導致木橇較難拉動。研究人員推斷，要在沙漠中的沙子上運送物品，可加入理想的水量以助滑動。其背後機制對於曾用水桶裝水和倒水來堆成沙堡的人來說應該很熟悉。如果內部的沙是乾的，水就能不受限地流動和擴散。相反的，濕沙則會保持其形狀，這要歸功於砂粒之間形成「水橋」。如果你混合的比例剛剛好，水會團結這些材料，形成平滑、堅硬的表面，可滑動上方的重物。回到2014年，波恩向《華盛頓郵報》（Washington Post）提到，如果把這個潤滑機制放大到巨大石碑那樣的規模，就代表「相較於乾沙，埃及人在濕沙上只需要用上一半的人力就能拉動物品……而埃及人很可能對這個有用的訣竅心知肚明。」

　　水的應用讓潤滑的世界大幅往前邁進。如今市面上有上千款市售潤滑劑可供選用，主要的基本原料是礦物油（也就是石油）。這些產品有共通目的：減少表面之間移動的摩擦力，無論是廉價割草機的內部或高科技的火星車（Martian Rover）。這些用來減少摩擦力的合成物有龐大的全球市場，2020年市值超過1500億美元（相當於1070億英鎊）。我們會在第九章介紹一些目前最先進的固態潤滑劑。水依然偶爾會影響潤滑，尤其是在像山崩這樣的地質作用，以及第六章和第七章會提到的地震與冰。但是水多半會像其他液體般對表面產生摩擦力；它會拖住物體，減慢它們的移動速度。這些特定的阻力可透過流體力學（也就是液體與氣體移動的科學）理解，且影響範圍廣泛。我們在第四章中還會提到，所有球體和飛機的飛行都會受周遭氣體控制。而如果你是游泳者，第三章會揭露水中前行需要什麼，你將認識一些把水推離表面而降低其影響的水下科技。

　　不過，還有很多內容出於各種不同的原因無法囊括於本書中。例如，我一開始原本打算用一章的篇幅討論表面科學在醫學的應用，從經由特殊設計微粒給藥的標靶藥物，到設計出有利細胞黏附和生長的植入物。有鑑於我在撰寫本書時（2021年一月），新冠肺炎大流行仍透過可經由空氣和表面傳播的病毒影響全球每個人的日常生活，這樣的疏忽令人遺憾。但事實是，我的時間和篇幅都不夠，無法再擴及需要大量時間與篇幅的主題。其他章節則僅僅改變了焦點。第二章原本是要探討動物使用表面科學領航和控制周圍環境的許多方法。蜘蛛、海膽和鯊魚都是原本可能入選的生物。結果那一章現在只著重於一種動物——壁虎。在蒐集這隻爬行動物相關資料的過程中，我被牠圈粉了：我深深著迷於牠的攀爬能力背後蘊藏的驚人機制，以及受牠啟發的眾多科技。還有其他來自自然界的範例散佈於全書其他段落。在第八章，我採用了物理學家對觸覺的觀點，及其在人類社會中扮演的角色。最後，或也許該說最初，第一章是所有黏合力相關事物的入門，包括說明一些我經常被詢問的黏滑物品真正的運作原理。

　　《黏黏滑滑》一書的核心與材料及材料影響其表面的力量有關。無論如何，我從2007年開始便在工作上投入這個主題。那是我第一次參與運用微結構表面（patterned surface）控制摩擦力與液體流動的研究專題，別的先不提，這個專題讓我開始研究防潑水（water-repellent）材料。後來，當我撰寫《科學與城市》（Science and the City）一書時，這些表面的相互作用不斷浮上我的心頭，從葉子在鐵路上的滑度，到輪胎的抓地力。相較於我們對摩擦力的認知與理解，它對現代世界的重要性似乎大得荒唐。那就是《黏黏滑滑》一書的概念真正紮根的時刻。我開始用「發生在表面的事情」觀點看待萬物之後，就一發不可收拾。本書於焉誕生。

　　《黏黏滑滑》這本書不是要徹底探究所有已知的表面相互作用；也不是想成為一本物理學教科書、摩擦力的數學專著，或深入探究市面上效果最好的膠水。如果您追求的是那種程度的知識，那麼我很樂意與您分享許多其他參考資料*。相反地，我在本書集結了自己最愛的範例，想讓各位讀者明白，作用於材料外表的力量如何實際和象徵性地影響我們的周遭世界。這些力量的含意會穿越科學的各領域，因此，我們的旅程將經歷一些出乎意料的轉折。我想（或者該說我希望？）這本書對所有人而言都有其意義。

　　註解：*本書最後的延伸閱讀附錄有列出重點參考資料。前往我的個人網站可以找到所有參考資料（若有相關連結便會附上）。

　　在探究這些主題時，我有幸可以與科學界和社會上一些了不起的人物交流；他們都是各自領域的專家，卻願意慷慨撥冗與我對談，並分享他們的知識。要說「我欠他們一份情」太過輕描淡寫。我很期待各位讀者可以與這些專家相遇。

　　那麼，現在就請您滑到舒適的角落，燒一壺水，聽我說一些有趣的故事吧。