第35届世界第一！我实时拍下了粘合剂如何脱落的照片！

看来我们还没有完全理解飞机为何飞行。然而，在科技界，这样的“结果还可以”似乎却出奇的普遍。
令人惊讶的是，即使在科学如此进步的当今时代，“为什么物体用粘合剂粘在一起”仍然是一个谜。致力于阐明粘附机制的研究人员在世界上首次取得了哪些成果？我一直在探索“粘合剂的世界”，看似熟悉却又不知道！

发布于 2021 年 12 月 24 日
取材·文深川峻太郎

我们仍然不知道他们为什么粘在一起！

自古以来，人类就思考过事物“粘在一起”的现象。例如，如果你读过三卷本《磁力与引力的发现》（山本喜孝/美铃书房），你就会明白磁铁能粘在铁上这件事自古希腊以来一直是一个多么大的谜团。

准确地说，它可能不被称为“粘着”，而是一种磁铁通过神秘的远程作用“移动”远处物体的现象，但无论如何，很长一段时间以来，人们对这一机制并不了解。

就连16世纪末发现地球是磁体的威廉·吉尔伯特也说“磁力有灵魂，或者类似于灵魂”，这与古希腊哲学家泰勒斯没有太大区别。我还是觉得很奇怪，一块磁铁不用任何粘合剂就能粘在冰箱门上。

但是，我的神秘传感器的灵敏度仍然很低。我想当然地认为东西可以用粘合剂粘在一起（因为如果它们不粘，那就不是粘合剂），但似乎“粘合”现象背后的基本机制仍然没有完全理解。我认为没有任何研究人员提倡胶灵理论，但即使是现在，进入21世纪20年，科学的前沿仍然广泛而深入。

一个研究这种粘合机制的日本研究小组最近成功地在世界上首次“使用电子显微镜实时观察粘合剂剥离过程”。我想知道它是如何粘合的，但是当我剥离它时该怎么办？

令我们倍感惊讶的是，我们的考察队参观了米乐m6官方网站，在这里，世界首次观测取得了成功。我们交谈过纳米材料研究部 Adhesive interface group的高级首席研究员。

先生堀内的实验室成立于 2015 年。其背后的原因是“社会对粘合剂的期望在过去 10 年里发生了变化”（堀内先生）。尽管人们对粘合剂寄予厚望，但我们生活在一个只需去便利店就可以买到强力瞬间粘合剂的时代。我觉得我对自己的日常生活已经完全满意了，所以有点困惑，但在那个层面上这不是问题。

我听说将汽车、飞机和建筑物等大型物体粘合在一起称为“结构粘合”。包括这一点在内，工业界面临的许多问题是无法通过简单的“暂时解决问题”来解决的。在堀内先生和他的同事们在实验室成立时举办的研讨会上，来自各家公司的研发人员蜂拥而至，可容纳300人的礼堂里座无虚席，只剩下站着的地方。

``最大的需求是在汽车行业。随着电动汽车取代汽油汽车以减少二氧化碳排放的趋势，人们正在尝试使用钢材以外的更轻的材料来减轻车身重量。对多材料结构的研究正在取得进展，通过在正确的位置使用各种材料来实现轻量化和刚性。

然而，与钢不同，铝和树脂等材料无法通过焊接进行组装。一种实用的连接方法是使用粘合剂。然而，对于汽车来说，人的生命受到威胁，所以像塑料模型上使用的粘合剂是没有用的。您可能会认为市售的瞬间粘合剂的强度足以满足日常使用，但它们对水非常敏感，并且只是临时粘合剂。”

いやはや惊いた。即使是人们带着死亡的决心使用的强力胶，说：“不要把它放在手指上！”据说在工业水平上也像“临时粘合剂”一样脆弱。

宝马几乎完全用胶水组装了一辆汽车

汽车领域强力粘合剂的开发在欧洲（包括德国）正在取得进展。尤其是宝马制造的i3汽车对该领域的研究人员和工程师产生了强烈的影响。整个车身由CFRP（碳纤维增强塑料）制成，大部分连接都使用聚氨酯粘合剂。

“CFRP 已在 F1 机器中使用了一段时间，其中减轻重量优先于耐用性，但使用它并用粘合剂将其组装到商用车中确实很大胆。”

``在此之前，汽车和电子等各个领域的许多公司都存在诸如“我想要更强的粘合剂”和“我不明白为什么粘合剂会剥落”等问题，但德国的研究和开发成为了导火索，需求突然变得严重。首先，“为什么粘合剂会粘在一起”尚不清楚，所以每个人都想了解基本原理。”

三种可能的模型

长期以来，人们一直在考虑关于粘合剂粘合的基本机制的三种模型。锚定效应、分子间力和化学键（再次强调，不存在灵魂理论）。

锚定效应是一种“机械”结合。如果要粘贴的物品表面粗糙，粘合剂会渗入凹凸不平处并硬化，相互缠绕并粘在一起。

分子间力是正负静电荷粘在一起的静电相互作用。

当基材表面的物质和粘合物质通过共价键、氢键等粘合在一起时，据说会发生化学键。

``但是，例如，目前还不清楚这三种效果中的哪一种是用来使瞬间粘合剂粘在一起的。可以这么说，结果只是它们粘在一起，但我们不知道它们背后的原理。化学键是最安全的制造方式。然而，目前还没有人证明情况确实如此。然而，据说它们是通过化学键连接在一起的，就好像这是常识一样。这可能完全是谎言。我们的主题之一就是澄清这一事实。”

随着科学技术的进步，业余爱好者可能会想知道为什么我们仍然不知道这一点但当我们听说它时，事实证明测量粘合界面非常困难。毕竟，很难观察发生了什么，因为它们都粘在一起了。我不知道该怎么办。如果是我，我会立即放弃并把它扔掉并说：“好吧，我坚持下去，所以我对结果很满意。”

“界面分层”或“内聚破坏”，这就是问题

“为了了解粘合的原理，首先要了解它是如何断裂的。例如，你可以将铝和铝剥离并测量其断裂时的强度。然后重要的是它在哪里断裂。”

我明白了。因此，我们不仅要关注“它如何粘连”，还要关注“它如何脱落”。粘在一起的物体脱落的方式通常有两种模式。 「界面分割」と「凝集分割」だ。

如果铝是用粘合剂粘在一起的，如果断裂时铝面上没有粘合剂残留，那么铝和粘合剂之间的界面就会剥落。这就是界面分层。在这种情况下，粘合剂本身被认为是弱的。另一方面，如果铝面上残留有粘合剂，则意味着硬化的粘合剂本身已经破裂。这是内聚破坏。

“内聚破坏意味着界面处的粘合力更强。在这种情况下，如果改进粘合剂本身使其更难以破裂，则粘合剂会变得更强。

然而，当您实际将其剥离并观察时，会发现界面分层或内聚破坏并不是简单发生的。有时两种情况都会发生，根据您去除的方式不同，结果可能会有所不同。继续界面の壊れ方は复雑なんです。为了详细了解实际情况，我们需要实时观察剥离过程。”

然而，用光学显微镜或扫描电子显微镜（SEM）很难看到1微米或更小的微小变形。为此，使用可以以更高放大倍数进行观察的透射电子显微镜（TEM）。

将铝切成100纳米薄片！

但是，要用这种方法观察，必须将样品切成薄片，以便电子束可以穿过它。他们将铝和粘合剂粘合而成的样品的界面切出约 100 纳米的厚度。

而且是手动完成的。当然，有专门的设备用于此目的，但不是任何人都可以使用它来完成的。这需要独特的专业知识和“熟练的技能”。

操作显微切片的工艺

``这个观察的秘密就在这里。我本来是高分子材料的研究员，从小就喜欢用电子显微镜做细致的工作，所以我有这个技能。将样品正确放置在设备的支架上并不容易。为了确保接口笔直，我制作了一个工具，将牙刷毛连接到竹签的末端，并经历了多次试验和错误。”

我观看了一段视频，展示了从切片样品到将其装入支架的整个过程，这确实是一件让我手出汗的艺术品。

终于捕捉到粘合失效过程

接下来，将装有样品的支架放入照片所示的设备中。该装置通过从后面施加力来压缩样品，从而使样品从一侧拉到另一侧。

将此设备插入巨型电子显微镜中，并从上方照射电子束。当然，我还看到了“世界第一”的实时观察破坏过程的视频。您可以详细看到左侧的铝合金和右侧的环氧粘合剂如何逐渐剥落。

我了解到现实并不简单

但是，我们这些业余爱好者仅仅看这个并不能真正理解发生了什么。那么，我们来看看下面的照片，都是精彩场景合集。底行的三张照片是顶行的三张照片，每张照片都是以高放大倍率查看的（简而言之，特写）。

迄今为止，人们一直认为裂纹会在粘合表面上扩展（如拉链开口），但现实情况并非如此简单。

1. 裂纹开始扩大，但如果您仔细观察下面的照片，您会发现在裂纹扩展之前粘合剂中存在一个小应变 (a)。
2. 该应变导致微小裂纹(b)，此外，在接合面处产生微小空洞(c)。
3. 当微小裂纹到达与铝的接合处时，它会沿着接合面传播并与先前形成的微小空腔融合，从而导致破坏。此时，确认在破坏后在铝侧残留有少量粘合剂(d)。

“虽然有些区域发生了界面分层，但失效的根源在粘合剂深处，因此是内聚失效。末端仍残留一些粘合剂，因此是内聚破坏。因此，不能简单地将其称为界面分层或内聚破坏。”

这一观察结果并没有解开粘附现象之谜。然而，证明这个复杂的过程可以被观察到，本身就是解决这个谜团的重要一步。未来，很多企业都会掌握这种方法，通过观察各种材料和条件的破坏过程，会积累很多知识。

“需要观察的物体有无数个。此外，即使使用相同的基材，如果将新的基材与劣化的基材或表面处理不同的基材进行比较，断裂过程也可能会发生变化。目前，它大致分为界面分层和内聚破坏，但我认为随着各种破坏方式变得更加清晰，分类将进一步划分。”

上述三种粘附机制（锚定效应、分子间力和化学键）也将得到阐明。例如，在制造领域，人们正在努力使铝表面粗糙化或对其进行化学改性以增加分子间力，以增加锚定效应，但尚不清楚这些方法的效果如何。

“化学键是否真的存在是一个大问题。要证明它们不存在是极其困难的，堪称魔鬼的证明，但至少在我们这次的观察中，我们没有发现任何表明化学键的现象。我认为，我们在第一次观察中没有看到这一点，这一事实具有很大的意义。”

用于无人机、建筑和医学！　広がる「连接の世界」

这一结果可以说是回答这个简单但重大的问题“为什么粘合剂会粘住？”的重要的第一步。如果粘合原理得到澄清，毫无疑问将开发出更坚固、更持久的粘合剂。

“人们对汽车、飞机和无人机等移动性有着特殊的需求，这些移动性要求重量轻且耐用，但粘合剂也在建筑领域进行研究。例如，如果用螺钉或钉子固定木材，它会变形或变形，但使用粘合剂，您可以将它们粘在一个表面上，这样就不会发生这种情况。粘合剂也将在电子和医疗领域发挥重要作用。”

到目前为止，即使在大学里，也很少有专门研究粘合剂的实验室。然而，2019年，九州大学成立了“下一代粘合剂技术研究中心”，该领域正在显着扩大。科学技术的前沿也是立志从事研究事业的学生的重要前沿。堀内先生表达了他的希望，他说：“我们没有足够的人手，所以我希望年轻人能看到这是一个有光明前景的领域。”

顺便说一句，在这次采访中，堀内先生教了我一些有趣的行业术语。在制造业中，用螺钉或铆钉固定用粘合剂连接的零件的行为被称为“鸡铆钉”。虽然它是用粘合剂固定在一起的，但这样做并不安全，因此他们对其进行了保险。

当然，为了保证汽车和飞机的安全，让它们在某种程度上“鸡”一下更好。然而，我对过度保险并不印象深刻。即使在写作行业，我们有时也会为了避免误解而写一些不必要的借口，导致句子难以阅读。我应该称之为“鸡肉借口”吗？我想每个行业都有这样的“鸡”。

如果鸡铆钉太多，您将无法利用粘合剂的好处，例如减轻重量。为了减少这种情况，我们正在等待基本粘附机制的阐明，这并不是一个“结果不错”。我也想成为一名能像胶水一样在字里行间倒出“可怕的借口”的作家。