Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Так что приклеивание – все же явление скорее из области сил притяжения. На них и сосредоточимся. Мы можем разделить приклеивание на три разных вида. Это постоянное склеивание (его обеспечивают различные клеи), временное приклеивание (когда мы идем по полу или муха ползет по стене) и полное отсутствие склеивания (когда бритва с гелем скользит по вашему подбородку или вы скользите по снегу либо льду). Кажется, силы абсолютно разные, но они основаны на очень схожих близкодействующих силах, которые возникают между двумя близко расположенными поверхностями.

Постоянное склеивание

Чтобы приклеить одну вещь к другой, вы должны создать очень сильные физические или химические связи между ними. Предположим, вы привариваете металлическую пластину к вашей машине, заменяя старую и проржавевшую. При этом вы расплавляете два металла так, что их атомные структуры соединяются и они становятся одним целым. Это не физическая связь: вы начинаете с двух металлов, а в итоге получаете один. Такой процесс вы и склеиванием не назвали бы, верно?

А что будет, если вы пойдете в мастерскую по ремонту обуви и попросите, чтобы вам поменяли старую резиновую подошву на новую? В чем отличие от первого примера? Приварить новую резиновую подошву к ботинку невозможно без нанесения непоправимого вреда. И что делают сапожники? Они используют клей в качестве промежуточного вещества для соединения двух поверхностей. Сапожник наносит его ровным слоем и на нижнюю часть ботинка, и на подошву и сильно прижимает их друг к другу. Процесс и прочность склеивания зависят от типа используемого клея и материалов, из которых сделаны две части обуви. Некоторые виды клея глубоко проникают в поры и структуру верха и низа ремонтируемой обуви и образуют прочные физические связи между ними. Другие вызывают на нанесенной ими поверхности химические реакции, в результате которых между частями ботинка возникают устойчивые химические связи. Третий тип клеев частично поглощается обеими поверхностями и создает между ними электростатические связи. И, наконец, четвертый вид клея приводит к замене молекул на двух склеиваемых поверхностях и их соединению, или диффузии.

Это электричество!

Для меня интереснее всего третий способ. Некоторые виды клеев соединяют при помощи электричества (правда, у них кошмарный запах, и названия ингредиентов на тюбиках выглядят пугающе). Это звучит необычно только до тех пор, пока вы не задумаетесь о статическом электричестве и о том, как оно притягивает вещи друг к другу, словно магнитом. Если вы потрете воздушный шар о свой свитер, вы можете «приклеить» его к себе или к стене. И никакого клея не понадобится.

Как это работает? Все объекты состоят из атомов. А атомы, если вы помните, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют минимальный положительный электрический заряд, а заряд электронов отрицательный. В целом атомы электрического заряда не имеют, потому что внутри них заряды протонов и электронов компенсируют друг друга. Но не все атомы одинаковы: некоторые более жадные, чем другие. Если вы потрете друг о друга два непохожих материала, атомы одного из них могут «украсть» электроны у атомов другого. Это, в частности, происходит, когда вы трете воздушный шарик о свитер. «Грабитель» (свитер или другой материал, «ворующий электроны») получает отрицательный электрический заряд, а несчастная жертва (воздушный шарик с меньшим количеством электронов) остается с положительным зарядом. Как и противоположные полюса магнита, противоположные заряды притягиваются друг к другу. И вот уже воздушный шарик прилипает к вашему свитеру.

То же происходит и при использовании особых видов клеев. Когда вы соединяете их с другими материалами, каждая молекула клея может притягивать или отталкивать электроны того вещества, на которое вы их наносите. Так создаются электростатические связи. В мастерской по ремонту обуви клей имеет положительный заряд, а ботинок – отрицательный. В результате они склеиваются. Задействованные здесь силы работают на очень малых расстояниях и обладают значительной величиной[66]. Под «малыми расстояниями» подразумеваются миллиардные доли метра. Если, как и мне, вам трудно представить себе визуально такие малые величины, то, когда мы увеличим их в 100 000 раз, получим толщину человеческого волоса (примерно 0,1 мм), который мы можем видеть своими глазами. Увеличенный в 100 000 раз человеческий волос будет иметь ширину около 10 м, что примерно равно длине двух машин, стоящих бампер к бамперу. При склеивании подошвы с ботинком важную роль играет не только сверхмалая дистанция работы притягивающих сил. Важно то, что эти силы работают между каждой молекулой клея и каждой молекулой материалов, из которых сделан ботинок. Так что эффект здесь усиливается в триллионы раз. Очень большая капля воды, весящая 0,1 г, содержит три секстиллиона молекул – 3 000 000 000 000 000 000 000! Это столько, во сколько раз увеличивается притягивающий эффект одной молекулы в клее, созданном на основе воды[67]. Поэтому, используя на первый взгляд незначительную силу статического электричества, такие клеи могут работать с удивительной силой.

С какой же именно? Суперклей, нанесенный на один квадратный миллиметр поверхности, может удержать вес двух килограммовых пакетов сахара. Звучит впечатляюще! Но этот показатель бледнеет в сравнении с самой клейкой субстанцией в мире – живущей в воде бактерией под названием Caulobacter crescentus, сила склеивания которой втрое больше (она достигает 70 Н на 1 мм²)[68]. Этот удивительный натуральный суперклей имеет широкие перспективы использования в области медицины. Пока же электростатические клеи вполне удовлетворяют наши повседневные потребности. Они завораживают наше воображение уже с конца 1950-х, когда их разработку начал профессор-химик Вернон Крибль[69], который использовал одну каплю такого клея, чтобы оторвать человека от пола, в популярной телеигре «У меня есть секрет» (I’ve Got a Secret)[70].