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黏附

黏附（adhesion）在物理学或工程学上，是指不同的粒子或表面（英语：interface (matter)）黏在一起的现象。若对于相同或类似的粒子，类似的现象称为凝聚。

露水黏附在蜘蛛网上
青蛙黏附在湿的垂直玻璃表面上
凹的弯液面是因为黏附而造成
药丸黏附在容器表面

黏附是和两物质状态之间界面的性质有关，造成黏附的力可以分为几种。造成黏附的分子间作用力可以分为化学黏附、分散性黏附（英语：dispersive adhesion）以及扩散黏附（dispersive adhesion）。除了这些因为分子间作用力累积效果外，也有因为力学效果造成的机械黏附。

表面能

 
不同分裂情形下的示意图，图中有标示不同的材料
A: γ = (1/2)W11
B: W12 = γ1 + γ2 – γ12
C: γ12 = (1/2)W121 = (1/2)W212
D: W12 + W33 – W13 – W23 = W132.

传统上会将表面能定义为在特定表面上建立一个区域所需要的功。另一个理解表面能的方式是劈开一物体，产生二个表面所需的能量。若新的二个表面是相同的，则两个表面的表面能γ是劈开需要能量W的一半γ = (1/2)W11。

若二个表面不同，可以用Young-Dupré方程（Young-Dupré equation）计算： W12 = γ1 + γ2 – γ12 其中γ1和γ2是两个新面积的表面能，而γ12是其界面能。

此一方法也可以讨论在物体在另一种介质中分开的情形，γ12 = (1/2)W121 = (1/2)W212。这两个能量说明在特定介质下将一物体分开，成为二部分所需要的能量。若该物体原来就由二个不同材质组成，其能量关系如下： γ13 + γ23 – γ12 = W12 + W33 – W13 – W23 = W132，其中W132是在材质3的介质中将材质1和2分开所需要的能量[1]。

有关离能量（cleavage energy）、表面能量以及表面张力术语的基本理解，对理解在特定表面上的物质状态以及其发生的事件是很重要的。这些变数的理论也产生一些很特别的效应，涉及这些黏附表面和其周围关系的实用性[1]。

机制

有关黏附的理论，以及在特定材料情形下的特定黏附机制，目前还没有可以包括这一切的单一理论。为了要解释为何一物质会黏在其物质上，已提出了五个黏附机制的理论。

力学黏附

黏附物质填满其他物质的空孔和孔隙，形成力学上的互锁。在不同的尺度都有互锁的现象。缝纫就是较大尺度下将二材料接合在一起，形成大尺度的力学互锁。尼龙搭扣也是力学互锁，但尺度较小。黏着剂的黏附则是在更小尺度的现象。

化学黏附

二个材料可能在其接合处形成化合物。最强的化学黏附是二个材料的原子共用电子（共价键或离子键）。另外一种比较弱的键结是一个分子里的氢原子被另外一个分子中的氮原子、氧原子或是氟原子吸引，形成氢键。

若二种材料表面的原子形成共价键、离子键或是氢键，即产生了化学黏附。在此定义下，化学黏附背后的工程原理比较直接：若表面的分子可以产生键结，则二个材料表面会因为许多键结形成的网络而接在一起。不过需要说明的是这种吸引性的离子键或共价键只在非常小的距离下（小于1纳米）才有效。因此二个材料的表面若要形成化学黏附，其距离需要非常的近，也因此这种黏附是脆性的，二个表面的距离过远即可破坏黏附[2]。上标

分散性黏附

分散性黏附（英语：dispersive adhesion）（dispersive adhesion）是指两物质以范德华力黏合在一起。范德华力是指二个分子的电子没有均匀分布，某些部分带正电，某些部分带负电，二个分子因此彼此吸引。最简单的例子，这类分子因为电荷的不平均而出现有极性，不过在较大或是较复杂的分子中，可能会有多个带正电或是带负电的区域（极）。这些分子中的正极或是负极可能是分子中不变的性质（分子间作用力），也有可能是暂态的效应，例如因为分子中的电子随机移动而产生暂时性的带正电或负电（色散力）。

 
凝聚力使水形成水滴，表面张力使水滴近似球形，而黏附力使水滴维持在适当的位置

在表面科学里的“黏附”几乎都是指分散性黏附。在典型的固态-液态-气态系统中（例如液滴在固体表面上，周围是空气），会用接触角来间接评估黏附程度，而Centrifugal Adhesion Balance[3][4][5][6][7]可以直接量化对黏附进行量测。一般来说，接触角小的表示其单位面积的黏附力较大，此论点假设接触角小对应表面能较高[8]。理论上，若要接触角和黏附做功的关系更精确，就要考虑更多的因素，最后会和Young-Dupre方程（Young-Dupre equation）有关。上述三相系统的接触角不但和分散性黏附（液态物质分子和固态物质分子的作用力）有关，也和凝聚力（液态物质分子自身之间的作用力）有关。若黏附力强、凝聚力弱，就会出现高度浸润的现象，是低接触角的亲液（英语：lyophilic）（lyophilic）条件。而黏附力弱、凝聚力强，就会出现厌液（lyophobic）的条件，有很大，可以量测的接触角。

静电黏附

有些导电性材料会传递电子，使表面上形成电荷差，因此在二个材料之间形成类似电容器的结构，产生吸引的静电力。

扩散黏附

扩散黏附是指两物质以原子扩散（英语：Atomic diffusion）黏合在一起。一般会出现在两种材料中的分子可移动，并且彼此共溶的情形。这特别容易出现在聚合物链中，其中一个分子扩散到其他的物质中。在烧结中也会有类似的现象。金属或陶瓷粉末因受压彼此接触，并且加热，原子会从一个颗粒扩散到其他的颗粒。因此让这些颗粒结合成一整块的材料[9]。

相关条目

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 J. N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces (Academic Press, New York, 1985). chap. 15.
  2. ^ K. Kendall. Adhesion: Molecules and Mechanics. Science. 1994, 263 (5154): 1720–5. Bibcode:1994Sci...263.1720K. PMID 17795378. S2CID 1525799. doi:10.1126/science.263.5154.1720. 
  3. ^ Tadmor, Rafael; Bahadur, Prashant; Leh, Aisha; N'guessan, Hartmann; Jaini, Rajiv; Dang, Lan. Measurement of Lateral Adhesion Forces at the Interface between a Liquid Drop and a Substrate. Physical Review Letters. 21 December 2009, 103 (26): 266101. Bibcode:2009PhRvL.103z6101T. PMID 20366322. doi:10.1103/PhysRevLett.103.266101. 
  4. ^ Tadmor, Rafael; Das, Ratul; Gulec, Semih; Liu, Jie; E. N’guessan, Hartmann; Shah, Meet; S. Wasnik, Priyanka; Yadav, Sakshi B. Solid–Liquid Work of Adhesion. Langmuir. 18 April 2017, 33 (15): 3594–3600. PMID 28121158. doi:10.1021/acs.langmuir.6b04437. 
  5. ^ Sadullah, Muhammad Subkhi; Xu, Yinfeng; Arunachalam, Sankara; Mishra, Himanshu. Predicting droplet detachment force: Young-Dupré Model Fails, Young-Laplace Model Prevails. Communications Physics. 11 March 2024, 7 (1): 89. Bibcode:2024CmPhy...7...89S. doi:10.1038/s42005-024-01582-0  . 
  6. ^ de la Madrid, Rafael; Garza, Fabian; Kirk, Justin; Luong, Huy; Snowden, Levi; Taylor, Jonathan; Vizena, Benjamin. Comparison of the Lateral Retention Forces on Sessile, Pendant, and Inverted Sessile Drops. Langmuir. 19 February 2019, 35 (7): 2871–2877. PMID 30724570. arXiv:1902.06721  . doi:10.1021/acs.langmuir.8b03780. 
  7. ^ Vinod, Appu; Reddy Bhimavarapu, Yagna Valkya; Hananovitz, Mor; Stern, Yotam; Gulec, Semih; Jena, Akash Kumar; Yadav, Sakshi; Gutmark, E. J.; Patra, Prabir K.; Tadmor, Rafael. Mucus-Inspired Tribology, a Sticky Yet Flowing Hydrogel. ACS Applied Polymer Materials. 11 November 2022, 4 (11): 8527–8535. OSTI 1922923. doi:10.1021/acsapm.2c01434. 
  8. ^ Laurén, Susanna. What is required for good adhesion?. blog.biolinscientific.com. [2019-12-31] （美国英语）. 
  9. ^ von Fraunhofer, Anthony. Adhesion and Cohesion. International Journal of Dentistry. 21 Feb 2012, 2012: 951324. PMC 3296218  . PMID 22505913. doi:10.1155/2012/951324  . 

延伸阅读

  • John Comyn, Adhesion Science, Royal Society of Chemistry Paperbacks, 1997
  • A.J. Kinloch, Adhesion and Adhesives: Science and Technology, Chapman and Hall, 1987
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