黏合剂无处不在，从航空航天工业到简单而无处不在的便利贴，都有它们的身影。科学作者阿莱娜·莱文（Alaina G.·Levine）来到黏合剂巨头3M公司的美国创新中心，了解更多有关黏合剂的物理学原理。
阿莱娜·莱文在3M的创新世界里“玩”得不亦乐乎
当我站在一个满是明亮显示屏、背景音乐以及充满热情和愉悦的解说的走廊时，我的第一个想法是我来到了1986年的沃尔特迪士尼世界。事实上，这里是一家资产300亿美元的跨国材料科学和黏合剂公司的总部，它就是3M公司，便利贴（也叫即时贴）的发明者。我所在的地方是美国明尼苏达州的圣保罗市，我来这里是采访3M公司在黏合剂和胶带领域对科学创新所作出的贡献。我期待的是能为我解答这些问题的科学家，而不是一个充满了各种黏合剂的游乐场。
采访开始一如往常。在3M创新中心的巨大入口处，我受到了3M公司公关经理斯蒂芬妮·吉斯-伯格丹（Stefanie Giese-Bogdan）的热情相迎，她邀请我随她一起，沿着如隧道般的走廊往前，直到关上门后进入一片寂静的黑暗中，接着周围巨大的屏幕亮起，流畅的多媒体开始演示介绍3M的历史和目前的研究状况。
介绍完毕，走廊另一头的双扇门打开，面前是一片空旷的空间，摆放着几把像是天文馆用的工作椅，可以向后仰靠凝视头顶。吉斯-伯格丹笑着建议我坐在视野最佳的第二排中间的椅子上，我往后仰靠，另一场投影开始在曲面天花板上演示，突然间，感觉就像置身于真正的迪士尼乐园一样，聚光灯在我的周围快速翻转闪耀。
我凝视着投影展示的3M创新的庞大世界，在3M创新中心一个巨大房间里，3M的技术人员正在与客户会面，讨论如何将3M的创新发明融入他们的产品中。在我们绕着房间里27个演示台（每个演示台专门介绍3M的一种核心技术）走一圈时，拥有分析化学博士学位的吉斯-伯格丹对我说道：“创新始于想象力，我们3M将想象力与协作沟通结合在一起，利用科学技术解决与日常生活息息相关的实际问题。”
3M公司的工业胶粘剂和胶带部门是其116年历史上最大的部门，世界各地拥有6?100多名员工，在10个国家设有研发中心，在26个国家建有生产制造工厂。黏合剂是3M产品中46种核心技术之一，由于黏合剂用于太多的应用领域――从航空航天和汽车工业到医疗设备和电子产品，该公司已有超过3万种黏合剂产品，此外还有面对零售业和消费者的便利贴（百事贴、即时贴）和思高胶带。
3M的创新世界是一个不向公众开放的展示厅和游乐场，3M会邀请其客户与科学家一起，在这里开展头脑风暴，讨论如何让他们受益的各种技术。客户可以在这里游玩、试验和发现，他们可以观看演示、了解新的创新，并与3M专家一起尝试解决某些问题。这就是我的胶带故事真正开始的地方，当我在黏合剂展示台中间随便逛着的时候，作为展览主办人之一的吉斯-伯格丹向我解释了这里的创新游戏，比如明尼苏达动物园打电话来说一条鲸鱼受伤了，需要某种特殊的绷带粘在它黏滑的嘴唇上，3M研究人员提出了一个解决方案，结果非常有效，并因其应用价值和柔韧的特性而被纳入了人体用绷带的整个产品系列中。
黏合剂科学
为了了解更多关于黏合剂的科学知识，我采访了公司研发领域的高级技术主管克里斯蒂娜·托马斯（CristinaThomas）。托马斯拥有化学工程博士学位，但她认为自己是一名聚合物物理学家，因为她的大部分技术生涯都在从事计算材料模型化的研究。她说：“我们周围世界使用的黏合剂比我们意识到的要多，因为我们经常需要把一些东西粘在某些表面上。”托马斯指着地毯、天花板和墙壁说，我们现在所在的房间里的电子设备、显示器内部等都有黏合剂，甚至将微芯片固定在合适的位置也要用到黏合剂。通过贴在窗户上的胶粘片和可伸缩的黏合剂可保持这幢建筑的能源效率。这些专用产品可以黏合到某个表面，去除后可以不留下任何残余物质。
黏合剂是一种能够通过表面附着力将材料粘在一起的物质，通常由聚合物制成。现代黏合剂可以使两种物体天衣无缝地黏合在一起，而不会在基底材料上产生任何间隔，比如空穴。其工作原理是：人工创造出与分子自然结合力同样强大的黏合力，将材料黏合在一起。
但正如3M公司聚合物黏合剂科学家安东尼·帕格里卡（AnthonyPagliuca）所说的那样，要做到这一点，黏合剂必须首先将基底材料“弄湿”，它必须具有流动性并能均匀覆盖在整个表面上，以使接触面积最大化。液体将基底材料弄湿的程度取决于其表面能，而且要让黏合剂更有效，它的表面能必须等于或低于基底材料的表面能，然后才能通过这两种材料的氢键、机械联锁和化学键等的相互作用完成黏附。
3M简史
1902年成立之初，3M公司是明尼苏达矿业和制造公司名下的一家小规模采矿企业，创始人最初的目标是在矿井里开采某种矿产，结果证明该目标既不可行也不可持续。为此他们研究了其他材料和产品，很快发现他们可以利用科学知识和工程技术开发和改进多个领域的产品。20世纪20年代开发的早期产品包括最早的防水砂纸和遮蔽胶带，最初的成功让该公司对黏合剂和胶带开发产生了极大的兴趣。经过多年的发展，3M公司已经成为拥有9万人的大公司，开发了在家庭、企业、学校、医院等领域使用的6万种产品，涉及地球上的大多数行业。3M公司1/3的销售产品来自过去5年发明的新产品。
3M的即时贴取代了传统的订书钉，是文具必备品之一
3M特别出名的一款产品是随处可见的即时贴，它的发现非常偶然。1968年，3M科学家斯宾塞·西尔弗（Spencer Silver）在实验室忙于研究黏合剂。在这个过程中，他发现了一种特殊的东西：一种可以黏附在物质表面的黏合剂，但并没有紧紧地粘在一起。西尔弗说：“这是我作为研究人员开发新黏合剂工作的一部分，当时我们想要开发更大、更强、更结实的黏合剂，而这个达不到这些要求。”
西尔弗发现的是一种叫作微球体的东西，它保留了粘性，但具有“可移动性”，容易从附着的表面上脱落下来。他开始与3M的其他科学家分享他的黏合剂发现，以找到这种黏合剂的潜在用途。将近6年后，另一位3M研究人员阿特·弗莱（ArtFry）发现，西尔弗的微球体可以作为一种书签类型的黏合剂，可以粘在纸上，也可以移走重新粘在其他地方。1977年，弗莱找到了制造这种黏合剂的办法，并于1978年获准生产，这种被命名为即时贴（或便利贴）的产品于1980年正式在美国推出，1981年正式在欧洲和加拿大推出。
即时贴很快风靡全球，3M公司继续扩大产品生产线，不久前又开发了以植物原料为主的黏合剂。3M最近的里程碑包括：公司在2014年获得了第10万项专利，2015年在明尼苏达州的工业园区建立的最先进的1.5亿美元的研发实验室；但便利贴仍然是3M最令人瞩目的产品和品牌之一。
在设计产品时，科学家考虑了三个因素。首先，要有一套黏附机制，如何黏附在不同表面上以及如何与这些表面产生相互作用；其次，科学家要对附着表面对黏合剂的作用力进行鉴定和测试，这些力（如剪切力或剥落力等）都会对黏合剂的性能产生影响，并影响其完整性和功能；最后，黏合剂的耐久性，包括周围环境对黏合剂有效性的影响等。
考虑到以上这些因素，知道如下观点并不奇怪，即物理学在思考和设计有效黏合剂和胶带方面起着很大作用。毕竟，黏合剂的基本力学性能必须进行精确计算、测试和确定。事实上，在3M实验室有一整栋楼专门负责这项任务，里面拥有材料分析和处理所需要的各种设备。
弄清楚聚合物的流动情况以及理解使用时和使用后的稳定性是开发结构和压力敏感型黏合剂的重要方面。黏合剂会如何分布和黏附在某个表面上？黏附机制是什么？固化机制是什么？有些黏合剂在将两个表面粘在一起时保持黏性，而另一些黏合剂则在固化时变成固体或泡沫状。知道黏合剂的作用和它所操作的环境决定如下的方面：黏合剂在表面的分布情况、黏合剂和表面之间的化学键的强度。黏度和弹性也是黏合剂很重要的特性。需要专业的设计人员进行相关设计，如设计大型工业系统的黏合剂存储盒和喷射黏液的喷嘴等。
材料科学在配制黏合剂和和基底方面起着重要作用，根据实际应用的不同，除了良好的粘结作用之外，黏合剂或胶带还需要具有其他属性。例如，3M公司制造了一种带有特定光学性能用于路面标线的胶带，这种胶带有一个分层结构，这个分层结构的一面与道路接触，上层则嵌入许多反射光线的微粒，在各种环境条件下司机都可以看到清晰的路面标记。托马斯说：“这种黏合剂通过附加的物理特性（光学机制）向驾驶员传递信息。”
此外，随着胶合剂技术应用到3M的许多产品中，黏合剂科学通常需要与其他技术结合起来。例如，3M借鉴了胶带配方的某些技术，将该技术与交联化学结合起来，创造出一种强大的水性胶黏剂。在某个项目中，3M的科学家将粘弹性泡沫与黏合剂一起注入，创造出一种用于汽车工业的理想粘接胶带。他们还使用普通的弹性材料，开发了一种专用的高强度模型，制造商可以用它们制造出更能耐受冲击力的产品。同时，黏合剂专家还进行了微复制技术的研究，这项技术是3M最大的科学资产之一。微复制过程包括熔化塑料小球，并将其挤压成塑料薄膜，在表面上进行微刻操作。每平方厘米上可以产生均匀排列的数千个特征的微刻，以改变表面的物理、光学和化学性质。这项技术的一项应用是制造路标，薄膜通常粘在铝质基板上，成千上万的微小棱镜将汽车前灯的灯光反射回司机处，让道路上的标志和标记比以往更明亮。
黏合剂还必须能够承受一系列的环境刺激，任何可能影响功能或持久性的问题都必须加以解决。例如，暴露在水、石油、大气化合物（如污染物以及许多其他的化学物质和混合物）环境中的路面标线和交通标志，它们必须能坚守在自己的“岗位”上，并持续承受各种冲击力、震动力和车辆的来往运动。另外，黏合剂还必须要能够应对压力、温度和其他各种变量的变化。
在3M的一个实验室中，我遇到了阿伦·赫泽高（Aaron Hedegaard），研究各种黏度和弹性以量化其强度和黏性的化学工程师。他在旋转流变仪上涂上一点某种黏合剂的样本，然后测量它的硬度、消散系数以及对加热和冷却的反应，甚至在低于明尼苏达冬季通常气温的温度条件。他说：“我开发了新的测试方法，而不仅是进行标准的测试方法，我正在试图突破界限，进行下一个标准测试。”
3M黏合剂设计开发策略（SEALS）
在为客户设计黏合剂时，3M专家会就以下几个方面的首字母缩写（SEALS）提出问题：
基底材料（S:Substrate）：基底材料的性质是什么？
环境因素（E:Environment）：黏合环境是什么？黏合环境会受到何种环境影响（内/外环境、高/低温度、化学品、盐）？
具体应用（A:Application）：产品用途是什么？胶粘剂的起效速度、持久时间等方面需要达到什么样的应用要求？
负载（L:Load）：不同类型、大小和方向上黏合点的应力是多少？
规模（S:Size）：就工业胶粘剂来说，每月、每季度或每年能达到多大的生产能力？
3M的专家正在与客户合作开发理想的黏合剂
物理学上的突破
据托马斯所说，物理学上的突破已经对3M的黏合剂开发产生了令人兴奋的影响。对于化学家来说，聚合物是一种由重复小分子或单位组成的宏观分子，但人们现在明白，这些长分子可以看作近似的分子链，因此它们的行为可以用物理学的统计方法来进行探索和解释。
托马斯说：“我们可以用简化的模型来处理聚合物，在这种模型中，分子由单个单位或取代原子群的微粒来表示。”然后利用物理原理对黏附聚合物中的大分子进行研究，使科学家能够理解它们在特定条件下的行为。“当我对聚合系统进行相位分离时，其行为与我分离较小分子的行为不同，这是黏合剂科学领域的真正进展。”
根据温度的不同，有些黏合剂的表现如玻璃（固体状），有些像橡胶（流体状），所以托马斯和她的团队会从复杂的系统中汲取灵感和知识。当你用“化学黏合方法”开发某种黏合剂，目的是将其转化为固体时，黏合剂就会经历化学反应，一旦固化，它就能提供耐高强度、耐高温、耐潮湿或耐化学暴露的能力。通过光、热或其他机制来实现黏合也可提高黏合剂的性能，因为这会导致形成一种像玻璃聚合物一样的黏性网状物。
但是，仅仅因为黏合剂运用了大量的物理学原理，并不意味着3M的科学家就会被它所束缚。在3M的创新世界里，吉斯-伯格丹向我展示了多层光学薄膜：一种用于某种特种胶带的银色反光薄膜。她解释说：“如果你倾斜一个反射面，就会存在某个不再反射的角度，这个角度被称为布鲁斯特角。多层光学薄膜不存在这样一个布鲁斯特角，它在任何角度都可以反射。”这种薄膜用来在建筑物中制造采光井，由于布鲁斯特角不再是需要考虑的因素，薄膜可以安置在弯曲处。例如，可以用于从手机到电视等电子设备上，以节省能源，还可以用在抛物面镜上，将光线导引到太阳能电池上。这是吉斯-伯格丹准备在创新世界中展示的众多产品之一。她开玩笑地说道：“你能说多久可以战胜物理定律吗？我们做到了，我们打破了布鲁斯特角这一物理规律。”
3M创新中心让我得以一窥黏合剂的神奇世界，在我离开的时候，我获得的关键信息是黏合剂无处不在，并且正在不断扩大它们的覆盖范围、强度和多样性用途。托马斯说：“我们每天看到的许多东西里都有黏合剂，或使用了黏附科学的成果，在这背后有很多对基本物理学的理解。即使是我们日常生活中早已认为理所当然的事情，比如道路上的标记，也需要用到黏合剂。”大量好的黏合剂发挥着如下功能：让卡车反复辗压的路面标志、可重复使用的便利贴、粘贴在脆弱敏感皮肤上的医用胶带等，还有覆盖了全球范围的黏合剂和胶带的其他各种实际应用。
资料来源Chemistry World
责任编辑 岳峰