什么是胶带？棘手的胶带统一理论！科学家们被困在胶带之谜上

学习胶带需要一定的耐心。有时实验需要剥离，但有时，研究人员只能坐在那里等待粘合剂失效。这些实验是科学家们更接近一种尚不存在的东西：胶带的统一理论。

被拉的稠粘的胶带的电子显微镜图象

胶带不只是用来贴海报到墙上，它在各行各业都有应用，从外科手术到iphone再到汽车。但是在最小的尺度上，它是如何工作的并不完全清楚，并且为工作找到合适的粘合剂可能是一个疯狂的反复试验的问题。对胶带剥离的原理和原因有一个理论的理解，可以帮助公司开发新的更强的粘合剂。

巴黎ESPCI的博士后研究员海伦·明斯基(Helen Minsky)解释说：“如果你理解了这是如何工作的，那么你就理解了更复杂的事情是如何工作的。”

但首先，什么是胶带？明斯基说：“胶带是一种用来把东西粘在一起的柔软材料，在微观尺度上，两个接触的较硬的表面在很多地方并不相交，但胶带极其柔软，可以填补这些空白，分子之间可以通过各种短程原子间力相互作用。胶带最大限度地增加了这些表面接触的地方，导致原子间作用力的增加，从而使其具有粘性。从理论上讲，它的能量是耗散的，也就是说它失去了你用来粘在表面上的能量。胶带的形状与固体一致。但是由于胶带的内部特性，移除胶带需要更多的能量，胶带是复杂的，通常专门用于粘在某些表面，从火箭部件到皮肤。”

比胶带如何粘住更重要的是胶带如何松开。当然，如果胶带在你的iPhone上脱落可能没什么大不了的，但如果汽车制造商选择用胶带而不是焊接零件，他们会更好地理解是什么力量导致胶带失效。

剥胶带

剥胶带

科学家们主要关注三种不同的胶带可以不粘的方式：它可以剥落，当粘接剂附着在柔性薄膜上并取下；它可以剪切，像剥落但平行于表面；或者，当你把东西直接压入暴露在外的粘接剂中，然后再拉上来的时候，它会粘住。

据ESPCI的科学家Matteo Ciccotti和他的团队在一篇论文中写道：”今天的科学理论还不能完全统一剪切、剥离和粘接胶带，在过去的70年里挑战了许多建模尝试。”

困难在于脱粘过程的复杂性。胶带首先在粘合剂和被粘住的表面之间形成空洞。这些空洞不断扩大，最终粘接剂会延伸成长纤维，其厚度是胶带最初厚度的10倍。西科蒂说：“拉伸和断裂这些纤维所需要的能量可能是简单地断裂胶带原子和表面原子之间的单个键所需要的能量的100到1000倍。”

拉伸纤维、材料的粘性流动以及它们的实际断裂都会损失能量。解释软聚合物在压力下变形或流动，然后恢复形状的理论并不能描述胶带纤维所能承受的极限应变。解释粘稠液体的理论无法解释纤维在拉伸后如何干净地分离。解释压裂材料的理论并不能正确地预测解开胶带所需的巨大能量。它们对剥离、剪切和粘性也给出了看似无关的结果。

但是工业应用需要知道特定胶带在不同张力下的极限，所以现有的理论并没有把它们联系起来。今天，知道胶带在粘性试验中表现良好并不能确定它在剪切试验中表现良好，因为纤维在这些不同的条件下表现不同。

这就是为什么Ciccotti，以及巴黎ESPCI的Costantino Creton和Etienne Barthel，正试图将所有这些整合成一个统一的理论。在他们的实验中，他们以不同的速度和角度从物体表面取下胶带，测量胶带的力，并用高能显微镜对结果成像。Ciccotti说：“我们想设计一种方法来预测磁带在这些不同测试下的性能。”最近，他们甚至引入了在压力下或破裂时发光的分子，这可以帮助他们接近胶带的通用模型。

纤维在剥离胶带中形成

明斯基解释说：“这些都是非常艰苦的实验，我每天的大部分时间都在等着胶带失效。”

研究小组已经在理解胶带方面取得了一些重要的理论进展，其中最引人注目的是它在剪切或沿表面滑动时的行为。3M公司的研究员卡洛斯·巴里奥斯说：“随着进一步的验证，他们的工作将帮助其他科学家预测磁带将如何以及何时开始失灵？适当的理论模型有助于理解的位置，大小，和方向时强调，材料会经历被粘结的一部分，可以验证为什么我们的一些解决方案很好，并提供一个额外的设计开发人员使用的工具在创建新的粘合剂解决方案。”

最终，这种研究对于帮助工程师们花更少的时间猜测和更多的时间制作最优胶带以及基础科学都是有价值的。事实上，胶带背后的科学技术是一个令人兴奋的复杂谜团。

Ciccotti说“有很多事情是重要的，当涉及到完全理解胶带，你必须对所有这些组成部分都有一个粗略的了解，而不是专注于一个特定的点，否则你就不会得到它。”