早在兩千五百年前瑪雅人就發現從橡膠樹取出來的橡膠加上酸液, 就會固化, 用這樣來做橡膠鞋. 只是這種橡膠些隨著時間會越來越硬, 到最後脆烈, 原因是這裡橡膠是靠氧化來 crosslink 橡膠裡的高分子, 這氧化反應不會停止, 橡膠過度 crosslinked 就變得 brittle 了. 一直到 1839 年, Charles Goodyear 發現把橡膠丟到含硫的熱液煮, 也會產生橡皮, 並且這彈性能維持很久. 這個技術改變了做輪子的技術 (He did reinvent the wheel!) 後來固特異公司就是紀念他而命名的.
要了解橡皮彈性的來源, 先來講它的微觀結構. 橡皮是高分子所構成的, 可以將高分子想成是細細長長的麵線, 只是這麵線會有熱運動, 所線一直彎來動去,要描述這樣的高分子有幾個比較重要的模型 -- random walk, self-avoiding walk, 和 worm-like chain. 在不同的情況下, 用不同的模型. 從這微觀的模型, 可以得到一個很重要的概念, 這些高分子被拉長時, 是有彈性的, 並且彈性的來源是謪(entropy) -- 也就是高分子喜歡到處亂動的這個趨勢, 所以拉長時, 限制了他能亂動空間的可能性. 所以這種彈簧和我們一般所熟知的彈簧很不同, 一般彈簧是靠分子和分子之間的鍵結力, 所以溫度上升時, 一般彈簧的彈性下降, 但謪彈簧(entropic spring)的彈性上升. (看下圖)
A. 高分子拉到最長. 力最大. Entropy 最低. (只有一種組態) B. 高分子部份拉長. 須要一些力, 有些 Entropy. (有很多方式) C. 高分子完全沒拉. 不需要力. Entropy 最高 (有最多組態) |
再回到橡皮的彈性, 所以如果我們微觀的來看橡皮, 組成橡皮的高分子在某些地方被打結(crosslinked), 但沒打結的地方, 其實還是動來動去像個 random coil, 是個 entropic spring. 假設巨觀上拉長的形變在微觀上也是成比例的形變, 橡皮的彈性就是這些小謪彈簧的加總. 也就是說橡皮彈性也是隨著溫度上升而上升, 溫度下降而下降.
橡膠微觀示意圖: 紅點是 crosslinked sites. 黑線是高分子. |
不要小看彈性隨溫度下降而下降的重要性. 美國太空梭挑戰者爆炸的原因就是 NASA 工程師輕忽這個保持真空密合 O-ring 在高空低溫會失效的事實, 造成 6 名太空人死亡, 大筆金錢損失, 太空科技的停頓. 查出挑戰者號失事的諾貝爾獎得主費曼(Richard Feynman)在發現這原因後, 在電視記者會做了現場實驗示範, 將一個 O-ring 丟到冰水, O-ring 就失去彈性了. 並且講了, ”For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.”
我希望在這門課大家不只學到橡皮彈性的物理, 也記住費曼的話, 將來你們很有可能是未來的工程師或科學家, 對觀察到的事件誠實報告與堅持, 是學科學最基本的精神.